整体球铁活塞的静强度分析

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1、250整体球铁活塞的静强度分析及改进彭春华1王健2孟永帅2（中国南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州）摘要：建立了250整体球铁活塞的三维有限元模型。对活塞体进行了在最高爆发压力下的静强度有限元计算，旨在分析活塞体的强度、变形等在最高爆发压力下是否满足设计要求，并为以后的试验及结构改进提供参考依据。关键词：有限元、250整体球铁活塞、应力场、静强度分析；Staticstrengthanalysisandimprovementof250one-pieceductileironpistonPengChunhuan1WangJian2MengYongshuai2（CSRQishuyan

2、InsitituteCo.,Ltd.）Abstract:Three-dimensionalfinitemodelof250one-pieceductileironpistonwasbuiltup.Staticstrengthanalysisofthepistonbodyunderthemaxcombustpress,aimtoanalyzewhetherstrength,distortionofthepistoncanmeetthedesignrequirementsornot.,andpreparereferenceforfuturetestsandstructureimprovemen

3、t.Keywords:finiteelements;250one-pieceductileironpiston;stressfield;staticstrengthanalysis该活塞的原型为250钢顶铁裙组合式活塞，但是由于其生产成本较高、开发及生产周期较长，难以在中速柴油机市场迅速占领市场，所以我司开发了250整体球铁活塞来替代该机型的组合式活塞。1、活塞结构设计分析基于对柴油机的结构功能及实用性的要求，整体球铁活塞的设计与组合活塞有所不同[1]。但是，在整体球铁活塞的设计时同样需满足以下原则：l需要保证整个柴油机的工作强度要求；l活塞设计应具有足够的刚度和机械强度，保证活塞的工作强

4、度；l良好的散热性，温差小，避免活塞在工作时产生较大的热变形和热应力；l设计的活塞具有较高的实用性，降低内燃机重量，减少活塞运程，提高内燃机工作效率。基于标准化、系统化原则，250整体球铁活塞的燃烧室、压缩高、总高、销座、销孔、环槽、外圆型面及挡圈槽等配合结构都与250组合式活塞一致，以便活塞销、挡圈、连杆、缸套的统一。250组合式活塞及250整体球铁活塞结构如图1、图2所示：图1250组合式活塞图2250整体球铁活塞2、250整体球铁活塞有限元分析由于250组合式活塞已经批量装机使用，并且运行状况良好，而该整体球铁活塞的销座设计与原型中的铁裙销座一样，因此笔者在此文中仅考虑活塞运动到汽缸

5、顶部附件随燃烧爆发压力的压缩载荷，即以该机型的最大爆发压力（16Mpa）为活塞机械负荷的界值来进行该整体球铁活塞的静强度计算。ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件。通过该软件对250整体球铁活塞进行静强度分析，得出活塞的机械应力场分布模型为以后的试验及结构改进提供参考依据。2.1模型简化活塞体的三维模型在Pro/E中建立（如图3），由于活塞体是对称结构，为了尽可能降低计算量与计算复杂性，在保证准确反映结构特性的前提下进行了必要的简化，在计算时取活塞体的一半进行计算，有限元计算在ABAQUS环境中进行（如图4）。图3活塞三维模型图4活塞有限元模型2.2材料性能参数活塞体材料为铸铁

6、QT700-2，材料的具体性能参数见表1，静强度计算时按线弹性小变形问题处理。表1活塞体材料性能参数材料牌号弹性模量/MPa密度/kg/m3泊松比伸长率屈服强度σs/MPa抗拉强度σb/MPa活塞体QT700-21.69E573000.3052%≥420≥7002.2边界条件根据活塞体结构特点，为了便于对活塞体施加边界条件，在活塞体销孔中心建立一圆柱坐标系，根据活塞体的工作状况，在活塞体外围与缸套接触面上施加半径方向上的位移约束，在活塞体销孔上施加了活塞体轴向方向上的位移约束，同时在活塞体对称面上施加对称约束。根据活塞体运行工况，在活塞体顶部施加了最大爆发压力载荷，最大爆发压力大小为16M

7、Pa，活塞体有限元边界条件见图5。图5活塞体有限元边界条件施加2.3计算结果将最大爆发压力载荷及边界条件作用于活塞体进行静强度计算，得到活塞体的应力、变形分布云图，如图6～17所示。图6活塞体应力云图一图7活塞体应力云图二图8活塞体应力云图三图9活塞体应力云图四图10活塞体应力云图五图11活塞体应力云图六图12活塞体位移云图一图13活塞体位移云图二图14活塞体位移云图三图15活塞体位移云图四图16活塞体位移云图五图17活