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活塞强度与动力学分析

曾小春1景国玺2黄晓波1

1.江铃汽车股份有限公司发动机开发部，南昌，3300012.浙江大学车辆工程研究所，杭州，310027

摘要：本文运用ABAQUS软件，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疲劳强度

和动力学响应；在满足疲劳强度的条件下，进一步运用Excitepistonrings对缸套－活塞－活塞销－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。

关键词：活塞，温度场，强度，二阶运动

主要软件：ABAQUS,Boost,Excitepistonrings

1.前言

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、曲柄旋转运动而产生的往复惯性力、活塞在缸套中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生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，活塞易失效（如

下在耐久试验过程中活塞进排气侧出现开裂的实例），所以活塞的设计开发必须同时考虑传力、传热、导向、密封、

轻量化和减摩耐磨等诸多因素，非常复杂。

2活塞温度场预测与试验验证

活塞在稳定工况时的热交换已达到平衡，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

边界条件中，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流体间的换热系数及周围流体的

温度t（公式2）。

式中，α为物体与周围流体间的换热系数，单位为W/(m2·K)；t为周围流体的温度，单位为K；λ(t)为物

体导热系数，单位为W/(m·K)，随温度而变化；Г为求解区域的放热外边界。

2.1活塞温度场CAE分析流程

图1活塞温度场流程

2.2仿真结果

活塞温度场计算结果一般关注图2中所示区域。

图2活塞温度场仿真数据

2.3温度场试验结果

温度场计算模型校准一般通过实验数据进行，计算结果与实验结果偏差应控制在±5℃的误差范围内。实验测

点布置一般如图3所示，实验工况按温度场实验规范或相关标准进行。

图3实验测点布置图4其中6个关键测点实验温度值

图5其中6个关键测点仿真值与实验值对比

3活塞强度CAE分析

活塞强度分析主要从疲劳耐久性评估，在准确的材料疲劳参数基础上能够对活塞结构关注部位进行准确的高

周疲劳评估。

3.1分析流程

图6活塞强度分析流程图

3.2载荷施加

热载荷：活塞温度场结果数据。

机械载荷：气体力+惯性力。

3.3强度校核

◆疲劳耐久性评估方法

活塞几何形状复杂，同时承受很高的热负荷和机械负荷，且在不同区域应力分布差异很大。因此在活塞疲劳

强度分析时需要同时考虑热应力和机械应力。

图7平均应力分布（Mises应力、最大主应力、最小主应力）

图8应力幅分布（Mises应力、最大主应力、最小主应力）

?疲劳耐久性计算结果

疲劳计算分析时采用BUCH疲劳算法对平均应力进行修正。

图9活塞顶部关键点安全系数值

3.4优化方案

通过对活塞温度场和强度分析，发现此活塞热负荷过高，是活塞开裂主要原因，并提出改进优化方案。在保

证燃烧室容积不变的情况下，对燃烧室进行优化，以降低活塞热负荷。

图10优化前燃烧室图11优化前后燃烧室对比图12优化后燃烧室

通过ABAQUS软件可计算出优化前后温度场对比，且优化后活塞最小安全系数为1.03，满足设计要求，目前该活

塞已大量投产。

图13优化前后活塞温度场对比

4活塞动力学CAE分析

图14活塞动力学理论模型

4.1模型建立

活塞动力学模型包括缸套、连杆、活塞、活塞销或活塞环（两道气环和一道油环）。

图15活塞动力学模型图16活塞热态轮廓图

4.2结果评估

4.2.1活塞头部接触

◆设计原则：考虑活塞头部与气缸之间的间隙变化，应避免头部与气缸直接接触。

图17活塞运行3D仿真示意图

4.2.2活塞动态敲击能

◆设计原则：在整个循环内，敲击能峰值越小越好，敲击总能越小越好。

PistonKineticEnergyofDifferentRc90

80

70

0.047mm

0.0515mm

0.056mm

60

0.037mm

500.066mm

40

30

20

10

0

-90090180270360450540630

CrankAng[deg]

图18活塞敲击能与配缸间隙的关