柴油机钢头铁裙组合活塞有限元计算分析

张五金，孙道贺，张宝力，沈 伟

(天津理工大学中环信息学院机械工程系，天津 300380)

柴油发动机作为一种能源动力装置，在工作中要承受很高的机械负荷和热负荷，因此必须满足可靠性、耐久性等方面的要求。活塞作为柴油机的关键零部件之一，工作环境十分恶劣，常在高温、高速、高负荷以及冷却困难的情况下工作，容易引起活塞开裂、拉缸等故障，直接影响着柴油机工作的可靠性。因此，对活塞进行仿真计算以评估其可靠性对活塞设计开发具有重要意义。

经调研发现，国内已有多位学者曾进行过活塞三维有限元数值模拟方面的研究工作［1－7］。本文在借鉴前人分析经验基础之上，对设计的新结构活塞进行了热分析、结构分析及热－结构耦合分析，得到了活塞的温度、应力分布及变形情况。

1 有限元模型与载荷工况

由于活塞组的结构和载荷边界条件具有对称性，因此为简化计算规模，仅对1/4活塞装配模型进行计算分析。计算模型包括活塞头、活塞裙、连接螺栓、弹性套、螺母、活塞销和连杆小端。组合活塞几何模型如图1所示。以六面体为主单元对模型进行网格划分，并对局部应力集中区域进行网格加密处理。活塞有限元网格模型如图2所示。划分单元数为35178，节点数为124000。

图1 活塞几何模型

图2 1/4活塞装配网格模型

根据活塞工作情况，确定计算载荷工况如下:工况1，螺栓预紧力工况;工况2，热负荷工况;工况3，热负荷+螺栓预紧力工况;工况4，热负荷+螺栓预紧力+最高爆发压力工况。

2 载荷及边界条件

2．1 机械载荷

机械载荷包括螺栓预紧力载荷和燃气压力载荷。活塞头和活塞裙间装配载荷由4根螺栓产生，螺栓的预紧力通常根据实测和计算确定。计算螺栓预紧力F=85．2kN。预紧力施加方法:在工况1下，通过调整螺母与弹性套接触界面的过盈量，使螺栓杆身的受力与给定的螺栓预紧力相同。该加载方式能保证螺栓的预紧力随外力和温度的变化而变化，能较好地反映螺栓实际受力情况。活塞最高爆发压力Pz=19MPa，活塞头载荷施加方式按照文献［5］进行。

2．2 热边界条件

参照文献［1］的计算经验，活塞热边界条件通过反复调整活塞边界附近的介质温度和边界与介质间的换热系数来确定，直至监测点计算温度值与实测温度值误差在工程研究允许范围之内为止。

2．3 位移约束

计算时，在连杆小端的底平面上施加位移约束。为避免活塞产生刚体移动，确保活塞有足够的约束，在活塞1/4模型两对称面上施加对称约束。

2．4 接触界面

组合活塞内部以及活塞与其他零件间均存在接触，ANSYS进行实体接触分析是通过建立面－面接触对的形式进行的，因此接触界面的设置是否合理直接影响计算结果的准确性。根据活塞接触界面接触情况，设置相关界面相关接触类型、接触算法及对称性。

3 计算仿真结果与分析

3．1 热分析

通过对活塞第三类边界条件的反复调整，得到了活塞温度分布情况，如图3所示。从图中可以明显看出，活塞头燃烧室的高温在活塞内部的传递情况。活塞最高温度出现在活塞头端面位置，达405．16℃。

图3 活塞温度分布

3．2 应力分析

3．2．1 螺栓应力分析

计算结果表明，连接螺栓杆身承受拉应力，温度升高使螺栓预紧力有所减小，爆发压力作用时，螺栓预紧力有所降低。工况1条件下螺栓应力分布如图4所示。工况1，3，4这3种方案的螺栓杆身承受应力情况见表1。

图4 工况1条件下螺栓受力情况

表1 不同工况下螺栓杆身应力及变化情况

3．2．2 活塞裙螺栓沉孔座过渡圆角处应力分析

本文有针对性地对活塞裙危险部位螺栓沉孔过渡圆角处的Z轴方向应力进行了分析。计算时设置螺栓沉孔座面过渡圆角边缘线为分析路径，建立弧长－应力曲线，如图5所示。O点为起始点，按顺时针取点，end为结束点。

图5 计算分析路径

图6为工况4条件下，螺栓沉孔座过渡圆角Z轴方向应力分布情况。图7为工况1，3，4的螺栓沉孔座过渡圆角处的应力曲线。从图中可以看出，爆发压力对螺栓沉孔座过渡圆角处所受应力影响较大，使靠近活塞销孔侧螺栓过渡圆角处Z轴向应力由拉应力转变为压应力。在活塞工作循环中，爆发压力是不断变化的，其作为脉冲力直接导致了螺栓沉孔座面产生交变应力。

3．3 变形分析

3．3．1 整体变形分析

图8为活塞在工况4条件下整体变形特征。可以明显看出，在爆发压力作用下，活塞头、活塞裙销孔以及活塞销变形情况。计算结果与文献［7］中的变形结果相一致。

图6 工况4Z轴方向应力分布图

图7 工况1，3，4螺栓沉孔座面过渡圆角应力曲线

图8 工况4条件下活塞整体变形

3．3．2 活塞头环槽变形分析

活塞在耦合载荷作用下环槽宽度会发生变化，为防止活塞环槽宽度减小过多与活塞环出现固死现象，计算确定环槽宽度变化值具有重要意义。经计算，在工况4条件下，第一活塞环槽Z轴向宽度变化:YZ截面处减小0．034mm，XZ截面处减小0．029mm。

4 结论

a．活塞热分析是热结构耦合分析的基础环节，其中传热边界条件的确定是关键因素，工程计算中通常根据活塞实测关键点温度值反求边界换热系数和介质温度。

b．活塞在热负荷和机械负荷共同作用下变形不均匀，从头部至裙部径向变形逐渐减小，因此在活塞结构设计中，活塞头第一环槽以上位置需设计成锥形或偏小直径圆柱，以防止活塞头热变形过大与气缸抱死。

c．热负荷和最高爆发压力负荷会引起螺栓预紧力减小。因此，在活塞装配过程中需严格控制螺栓预紧力的大小，防止活塞在使用过程中螺栓松脱，出现顶、裙分离现象，造成严重后果。另外，活塞裙销座孔内侧边缘以及螺栓沉孔座过渡圆角处应力值变化较大，易产生疲劳裂纹，加工过程中，要严格保证此处表面加工质量。

d．计算分析结果为活塞产品的设计和结构改进提供了指导，同时也为进行其他类型活塞产品有限元计算分析提供参考。

［1］ 郑百林，潘琼瑶，王锋，等．柴油机活塞热机耦合三维有限元分析［J］．同济大学学报:自然科学版，2006，34(11):1534 －1538．

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