基于ANSYS內(nèi)燃機(jī)活塞載荷優(yōu)化研究

涂盼盼，何毅斌，高帥，胡高瑞，趙德順，甘沐陽(yáng)

基于ANSYS內(nèi)燃機(jī)活塞載荷優(yōu)化研究

涂盼盼，何毅斌*，高帥，胡高瑞，趙德順，甘沐陽(yáng)

（武漢工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

針對(duì)內(nèi)燃機(jī)正常工況下活塞所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料抗拉強(qiáng)度、使得內(nèi)燃機(jī)輸出功率并非最高的問(wèn)題，提出內(nèi)燃機(jī)活塞載荷優(yōu)化方案。首先通過(guò)Pro/E三維建模軟件對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，然后通過(guò)有限元分析方法模擬在最苛刻工作位置處工況下活塞整體的受力圖、安全系數(shù)圖，以此來(lái)判斷活塞的強(qiáng)度是否處于安全環(huán)境，并且通過(guò)多次改變載荷獲得模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、安全系數(shù)變化趨勢(shì)圖和最大等效應(yīng)力圖，最后分析得出內(nèi)燃機(jī)活塞在安全環(huán)境下的所能承受最大載荷。研究結(jié)果表明，通過(guò)比較模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化后載荷1.5 MPa比傳統(tǒng)載荷0.75 MPa下的內(nèi)燃機(jī)擁有更高輸出功率，內(nèi)燃機(jī)可以得到更充分利用。

內(nèi)燃機(jī)；活塞；載荷；ANSYS

活塞式內(nèi)燃機(jī)具有效率高、體積小、質(zhì)量輕和功率大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作汽車動(dòng)力元件?；钊莾?nèi)燃機(jī)主要構(gòu)件之一，其工作狀況直接關(guān)系到整個(gè)內(nèi)燃機(jī)工作效率[1-2]。研究表明傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)正常工況下活塞所受載荷并非安全工作環(huán)境下的最大載荷，使得內(nèi)燃機(jī)未得到充分利用，造成一定資源的浪費(fèi)。

本文通過(guò)對(duì)活塞頂部施加工作載荷，利用有限元方法進(jìn)行強(qiáng)度校核研究，并得出其整體應(yīng)力圖和安全系數(shù)圖，從而判斷活塞是否處于正常工作情況，最終通過(guò)對(duì)活塞所加載荷的改變得到模擬數(shù)據(jù)，并作出了安全系數(shù)趨勢(shì)圖，以此來(lái)優(yōu)化活塞所受載荷，從而保障內(nèi)燃機(jī)有更高的工作效率。

1 活塞模型的簡(jiǎn)化建模

活塞主要由頂部、頭部和裙部三部分[3]構(gòu)成。本研究在材料不變的條件下，通過(guò)優(yōu)化活塞所受載荷來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)輸出功率，讓內(nèi)燃機(jī)使用更加充分。在分析過(guò)程中，為了減少建模、劃分網(wǎng)格的工作量，對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如簡(jiǎn)化對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響的倒角、螺紋孔等要素[4-5]。內(nèi)燃機(jī)活塞的材料常數(shù)如表1所示，活塞簡(jiǎn)化幾何模型如圖1所示。對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分為22930個(gè)節(jié)點(diǎn)、12273個(gè)單元，其有限元模型如圖2所示。

內(nèi)燃機(jī)活塞的材料為L(zhǎng)D2，查資料可知其材料常數(shù)如表1所示。

表1 材料常數(shù)

2 活塞工況分析計(jì)算

查閱相關(guān)資料得知正常工作條件下活塞承受汽缸中的燃燒壓力[6-7]，并將此力通過(guò)活塞梢和連桿傳給曲軸，所以在模擬實(shí)驗(yàn)中，如圖3所示，內(nèi)燃機(jī)活塞所受載荷在處為，約束施加位置為及其中軸線對(duì)稱位置，處是內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的無(wú)固定支撐。

如圖4所示，活塞工件所受最大應(yīng)力為53.682 MPa，最小安全系數(shù)為4.657。由于此最大應(yīng)力未達(dá)到鍛鋁合金LD2的屈服極限，所以在此工況下結(jié)構(gòu)安全，但材料未能充分利用[8]。

如圖5所示，安全系數(shù)最小為4.657，安全系數(shù)大于2工件即處于相對(duì)安全的工作環(huán)境，所以本文通過(guò)優(yōu)化載荷來(lái)使內(nèi)燃機(jī)利用更充分。

圖1 活塞簡(jiǎn)化幾何模型

圖2 整體有限元模型

圖3 內(nèi)燃機(jī)活塞的載荷及約束有限元模型

圖4 整體應(yīng)力分布云圖

圖5 安全系數(shù)圖

3 內(nèi)燃機(jī)活塞的有限元優(yōu)化分析

3.1 內(nèi)燃機(jī)活塞的有限元優(yōu)化分析實(shí)驗(yàn)研究

該內(nèi)燃機(jī)活塞在正常工作條件下安全，通過(guò)對(duì)活塞材料的可利用研究，將載荷3作為設(shè)計(jì)參數(shù)、以最小安全系數(shù)1和最大等效應(yīng)力2為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。表2為內(nèi)燃機(jī)活塞的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 內(nèi)燃機(jī)活塞的模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6和圖7可以得出：最小安全系數(shù)與載荷呈非線性關(guān)系，最大等效應(yīng)力與載荷呈線性關(guān)系。傳統(tǒng)工況下載荷0.75 MPa的最小安全系數(shù)為4.657，當(dāng)載荷在（0.5, 1.5）時(shí)最小安全系數(shù)的變化較大、在（1.5, 3）時(shí)變化率較小。為提高材料的使用率可將內(nèi)燃機(jī)功率增大，使載荷最大增至1.5 MPa，則安全系數(shù)為2.1，此工況下也是安全的，但功率提高了近一倍。優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)比較如表3所示。

表3 優(yōu)化前后數(shù)據(jù)比較

4 結(jié)論

針對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞的使用率，將活塞所受載荷設(shè)為參數(shù)變量，通過(guò)改變載荷大小得到內(nèi)燃機(jī)活塞的最小安全系數(shù)變化趨勢(shì)圖和最大等效應(yīng)力圖，從而推導(dǎo)出優(yōu)化后的載荷為1.5 MPa。通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞載荷的優(yōu)化，使內(nèi)燃機(jī)功率提高近一倍。研究結(jié)果表明，在內(nèi)燃機(jī)活塞材料不變的前提下，通過(guò)優(yōu)化載荷大小，可以提高內(nèi)燃機(jī)功率、提高內(nèi)燃機(jī)活塞利用率。

圖6 安全系數(shù)變化趨勢(shì)圖

圖7 最大等效應(yīng)力圖

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[4]王駿. 液壓濕式離合器活塞零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013（6）：51-53

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[9]宗明景，董非，朱楠林. 內(nèi)冷油道位置對(duì)柴油機(jī)活塞溫度場(chǎng)的影響研究[J]. 機(jī)電工程，2017（12）：1422-1426.

Based on ANSYS Internal Combustion Engine Piston Load Optimization Study

TU Panpan，HE Yibin，GAO Shuai，HU Gaorui，ZHAO Deshun，GAN Muyang

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China)

In view of the internal combustion engine piston stress under normal working condition of the piston suffered far less than the tensile strength of piston material, makes the internal combustion engine power output is not an issue of supreme, internal combustion engine piston load optimization scheme is put forward. First through Pro/E 3d modeling software to simplify the modeling, the internal combustion engine piston and then simulated by the method of finite element analysis under the most demanding work location conditions piston by trying to whole, piston figure overall safety coefficient, in order to determine whether the strength of the piston in the security environment, and changing load simulation data obtained by several times, the safety coefficient change trend diagram and the maximum effect to, such as the final figure from safety coefficient analysis of internal combustion engine piston in a safe environment can withstand maximum load. The results show that the internal combustion engine can be more fully utilized by comparing the simulated experimental data with a higher output power of 1.7 MPa than the traditional one under 1 MPa.

internal combustion engine；piston；load；ANSYS

U262.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.016

1006－0316 (2018) 12－0056－03

2018－01－18

武漢工程大學(xué)第九屆研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2017026）

涂盼盼（1994－），男，湖北安陸人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化和有限元分析。

何毅斌（1966－），男，湖北武漢人，博士（后），教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械零件故障診斷分析研究、機(jī)械設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化分析。