基于仿真分析的活塞开发流程

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1、基于仿真分析的活塞开发流程作者：长安汽车工程研究院司庆九詹極松來源：AI《汽车制造业》本文首先应用有限元分析技术对数字设计革础上的活塞一活塞销一连杆组的CAD模型进行有限元网格剖分和拓扑，进而对活塞的温度场、热应力和热力机械耦合进行分析，得到在发动机典型工况下活塞的动力学响应和疲劳强度；在满足疲劳强度的条件下，进一步对缸套一活塞一活塞销一连杆系统进行多体动力学分析，获得活塞与缸套之间的接触应力及间隙、活塞在缸套中的瞬时运动特性等，最终设计出最佳的活塞轮廓型线。“仿真驱动设计”，从发动机活塞的CAD设计到仿真分析和试验测试的闭介

2、循环迭代，木文详细地阐述了基于仿真分析技术的发动机活塞开发设计流程，遵循这个开发流程，发动机活塞的各项性能将会被一次准确设计。活塞是发动机将燃料燃烧释放出的热能转换为机械能的关键零件之一，它同时承受着发动机燃烧所产生的气体爆发压力、山柄旋转运动而产生的往复惯性力、活塞在缸套屮运动时缸壁对其裙部的侧推力以及活塞本身因吸收气体燃烧释放出的热能发牛温度变化而产生的热应力等。基于恶劣的工作环境和复杂的受力状况，活塞的设计开发必须同时考虑传力、传热、导向、密封、轻量化和减摩耐僭等诸多因素。本文就基于先进的数字设计和虚拟样机仿真分析的现代

3、设计方法，全面阐述了冇限元计算和多体动力学等CAE分析技术在发动机活塞的设计、分析和优化等整个开发设计过程屮的应用，确立了一次设计正确的发动机活塞的先进开发流程。活塞设计开发流程活塞设计开发的关键在于活塞的强度分析和型线优化。为了缩短开发周期，一般在活塞强度计算合格后即进行活塞模具制造，Z后开始活塞毛坏件的浇铸制作和热处理。此时，活塞型线设计已初步完成，待完成活塞型线加工后，便进入活塞温度场测试流程，并将测试结果和计算结果进行对比，如果测试结果和计算结果两者相差较大，则需进行设计调整（前期强度计算合格将保证不会出现大的设计变更

4、）和/或重新进行活塞温度场有限元计算和试验测试对比的迭代，直到满足判定条件（工程指标）为止。图1所示为发动机活塞的设计开发总流程。CAD建模和有限元网格划分山于发动机活塞内腔形状复杂，一般的CAD建模方法可能造成有些圆角不能正常求解，本文推荐活塞CAD模型建立从活塞销座开始，同时合理分割活塞结构，运用CAD软件的布尔运算功能，达到事半功倍的效果。用于冇限元分析的CAD模型需进行简化，一般可以忽略活塞锁环槽、活塞裙部、环岸倒角、汕孔等。另外，活塞销孔偏移产生绕活塞销旋转的力矩主要影响活塞动力学计算，在活塞强度计算时可忽略。我们首

5、先应用冇限元分析前处理软件（如HyperMesh等）对各零部件进行初始网格划分，原则是尽可能让初始网格的节点不要落在零部件的曲面上，尤其是关键部位的节点绝对不能落在零部件的Illi面上，并让初始拓扑模型（以下简称StartMesh）的体积人于且应包容实际的三维实体模型。-般地，活塞头部与裙部应沿活塞屮心线方向拉伸，而活塞销座沿销孔中心线向拉伸。对于连杆，为使StartMesh尽可能不在连杆的曲而上，连杆小头孔所在位置的单元应沿着孔的中心方向进行拉伸。在StartMesh的基础上还需进行白动拓扑操作，本文应用AVLFame软件调

6、入零部件的StartMesh及其STL儿何文件，对StartMesh的单元和节点进行判断，若单元完全或部分节点在STL几何文件的边界而內，则保昭其单元，否则删除单元和节点，或将几何边界而外的巧点投影到几何面上。自动拓扑完成后，需要对单元质量进行检查，并将检查出的脅•单元及与其相关的层数（层数由用户自定义）单独进行单元质量的优化。对于活塞销的网格划分，可将活塞销孔与连杆孔复制到活塞销孔外表而上，然后与活塞销CAD图进行拓扑，得到的网格表血节点将会与活塞销孔及连杆小头孔的节点一-•对应。温度场计算活塞在稳定工况时的热交换已达到平衡

7、，此时活塞吸收的热量等于其释放的热量，因此，可简化为活塞温度稳定且无内热源的拉普拉斯方程求解（公式1）。活塞温度场分析实质为活塞的热传导分析，在常见的热传导三类边界条件屮，为简化计算量，一般采用第三类边界条件:定义边界上物体与周围液体间的换热系数及周围液体的温度t（公式2）oIII于活塞销与连杆材料对温度不敏感，温度场计算时可不考虑活塞销与连杆。但是，现代活塞材料多为铝合金，其热传导特性呈非线性，即随着温度的升高，其热传导系数呈非线性增加，故在计算活塞温度场时要特别关注这一因索。活塞铝介金材料热传导系数非线性特性如图2所示。图

8、2铝介金材料热传导系数曲线活塞温度场计并数学模型的主要方程为:(公式1)(公式2)式中，a为物体与周围液体间的换热系数，单位为W/(m2-K)；t?为周围液体的温度，单位为K；A(t)为物体导热系数，单位为W/(m-K),随温度而变化；「为求解区域的放热外边界。在采用第三类边