活塞裙部仿生孔形结构优化设计及有限元分析

作     者：闫振 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丛茜

授予年度：2011年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：活塞 活塞裙部 仿生孔形活塞 优化设计 有限元分析 

摘      要：目前汽车保有量日益增长,发动机是汽车的重要部件,其性能的改进研究具有较高的经济与社会效益。活塞作为发动机的关键零部件,与缸套组成发动机的主要往复运动摩擦副,其中活塞裙部的磨损是造成发动机失效的主要因素之一,因此增强活塞裙部耐磨性对提高发动机的使用寿命具有重要意义。 发动机活塞裙部的设计与改进主要集中在活塞裙部材料和活塞裙部结构两个方面,其中活塞裙部材料研究主要有传统铝合金和铸铁材料的优化设计及新型材料的开发应用;而活塞裙部结构研究主要有传统活塞裙部表面形貌的优化和活塞裙部整体结构的改进设计。但是传统的设计方法在提高活塞性能方向能力有限,新型材料的成本较高,不利于其推广应用,而采用仿生非光滑理论,在活塞裙部加工仿生孔形结构能够较好的提高活塞裙部摩擦副的耐磨性,且成本较低,具有较好的应用前景。 在活塞裙部加工孔可以有效提高活塞耐磨性,但是目前的研究仍然集中在提出设计思想,孔的尺寸、分布和类型对活塞整体及活塞裙部特性的综合影响规律没有得到探索,仿生孔形活塞结构参数优化设计方法也需要进行有效的分析与研究,因而仿生孔形活塞优化设计方法的研究具有较高的价值与实际意义。 发动机台架试验的成本较高,且实车实验周期较长,采用模拟试验优化活塞结构能够减少试验数量,降低成本。随着计算机技术的进步和数值计算方法计算精度的日益提高,模拟分析技术在活塞设计研究中也得到了应用,尤其是有限元模拟技术的应用比较成熟。其中有限元结构分析、热力学分析及热-结构耦合分析以其良好的适应性,能够在活塞设计中取得较准确的特性参数,为优化活塞的结构参数提供依据。本文设计的仿生孔形活塞因为涉及的结构参数较多,如果仅从试验角度进行优化分析,需要的试验量较大,成本较高。因此选用有限元模拟技术,从分析活塞的结构特性及热-结构耦合特性出发,实现初步探索仿生孔的尺寸、分布和类型对活塞结构特性和热-结构耦合特性的影响规律,并优化仿生孔形活塞的结构参数,从而确定具有综合最优结构特性和热-结构耦合特性的仿生孔形活塞结构参数。 为促进仿生孔形活塞的推广应用,本文选用普及程度较高的捷达汽车发动机,并以捷达RSH1.6L发动机活塞为标准原型活塞进行结构改进,以活塞启动工况和正常工作工况为分析工况,计算活塞裙部最大受力和正常热态温度载荷,为有限元结构分析与热-结构耦合分析提供边界条件。在活塞侧压力载荷最大的条件下,活塞裙部的结构特性和热-结构耦合特性数据可以更准确反映活塞裙部的结构特性和热-结构耦合特性。 为全面研究仿生孔的不同孔径、分布和类型对活塞裙部结构的影响规律,本文从孔的尺寸、分布和类型三个方面设计仿生孔形活塞;采用有限元结构分析和热-结构耦合分析方法分析活塞的结构特性和热-结构耦合特性,设计出具有综合最优结构特性和热-结构耦合特性的仿生孔形活塞。主要研究工作如下: (1)发动机工况分析及其载荷计算 以发动机启动工况和正常工作工况为研究对象,从准确验证活塞的结构和热-结构耦合特性出发,计算活塞裙部的侧压力载荷和温度载荷,建立活塞裙部侧压力载荷的三维空间分布函数和活塞标准温度区间的温度载荷,为有限元分析提供准确的边界条件。 (2)标准活塞有限元分析 采用逆向工程技术,获取标准活塞点云数据,建立标准活塞CATIA实体模型,并应用ANSYS建立其有限元模型,根据发动机工况分析数据包括活塞裙部侧压力载荷及温度载荷的计算结果,对标准活塞进行结构分析、热力学分析及热-结构耦合分析,为仿生孔形活塞的设计提供依据。 (3)仿生孔形活塞结构形态设计及有限元分析 根据标准活塞有限元分析结果和活塞的二阶摆动,在保证活塞裙部的应力分布和活塞裙部表面的楔形油膜的基础上,分别以不同的孔径、孔的分布和孔的类型设计仿生孔形活塞。针对不同的仿生孔形活塞模型计算活塞的侧压力载荷分布公式,对仿生孔形活塞进行结构分析、热力学分析和热-结构耦合分析。 (4)仿生孔形活塞结构参数的多目标优化 为较全面的分析仿生孔形活塞的结构参数对活塞结构特性和热-结构耦合特性的影响规律,选择能够较好的反映活塞结构特性及热-结构耦合特性的参数为目标变量,采用多目标综合平衡法分析仿生孔形活塞的综合最优结构及热-结构耦合特性。 通过以上工作,本文建立了捷达RSH1.6L发动机标准活塞裙部的最大侧压力载荷分布函数,建立了该标准活塞的温度载荷分布模型;建立了9种不同孔径、分布和类型的活塞模型,并建立了仿生孔形活塞的侧压力载荷分布函数;对9种仿生孔形活塞模型进行了结构分析、热力学分析和热-结构耦合分析,提取了9种仿生孔形活塞模型的结构特性参数和热-结构耦合特性参数;研究了孔径、分布以及孔的类型与活塞的各个特性参数目标变量之间的关系;采用多目标综合平衡分析法,分析了9种仿生孔形活塞模型的结构特性和热-结构耦合特性,确定了具有综合最优结构及热-结构耦合特性的仿生孔形