基于ANSYS內燃機活塞載荷優化研究

涂盼盼，何毅斌，高帥，胡高瑞，趙德順，甘沐陽

基于ANSYS內燃機活塞載荷優化研究

涂盼盼，何毅斌*，高帥，胡高瑞，趙德順，甘沐陽

（武漢工程大學 機電工程學院，湖北 武漢 430073）

針對內燃機正常工況下活塞所受應力遠小于材料抗拉強度、使得內燃機輸出功率并非最高的問題，提出內燃機活塞載荷優化方案。首先通過Pro/E三維建模軟件對內燃機活塞進行簡化建模，然后通過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、安全系數圖，以此來判斷活塞的強度是否處于安全環境，并且通過多次改變載荷獲得模擬實驗數據、安全系數變化趨勢圖和最大等效應力圖，最后分析得出內燃機活塞在安全環境下的所能承受最大載荷。研究結果表明，通過比較模擬實驗數據優化后載荷1.5 MPa比傳統載荷0.75 MPa下的內燃機擁有更高輸出功率，內燃機可以得到更充分利用。

內燃機；活塞；載荷；ANSYS

活塞式內燃機具有效率高、體積小、質量輕和功率大等優點，廣泛用作汽車動力元件。活塞是內燃機主要構件之一，其工作狀況直接關系到整個內燃機工作效率[1-2]。研究表明傳統內燃機正常工況下活塞所受載荷并非安全工作環境下的最大載荷，使得內燃機未得到充分利用，造成一定資源的浪費。

本文通過對活塞頂部施加工作載荷，利用有限元方法進行強度校核研究，并得出其整體應力圖和安全系數圖，從而判斷活塞是否處于正常工作情況，最終通過對活塞所加載荷的改變得到模擬數據，并作出了安全系數趨勢圖，以此來優化活塞所受載荷，從而保障內燃機有更高的工作效率。

1 活塞模型的簡化建模

活塞主要由頂部、頭部和裙部三部分[3]構成。本研究在材料不變的條件下，通過優化活塞所受載荷來提高內燃機輸出功率，讓內燃機使用更加充分。在分析過程中，為了減少建模、劃分網格的工作量，對內燃機活塞的模型進行簡化，如簡化對計算結果沒有影響的倒角、螺紋孔等要素[4-5]。內燃機活塞的材料常數如表1所示，活塞簡化幾何模型如圖1所示。對內燃機活塞模型進行網格劃分，劃分為22930個節點、12273個單元，其有限元模型如圖2所示。

內燃機活塞的材料為LD2，查資料可知其材料常數如表1所示。

表1 材料常數

2 活塞工況分析計算

查閱相關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]，并將此力通過活塞梢和連桿傳給曲軸，所以在模擬實驗中，如圖3所示，內燃機活塞所受載荷在處為，約束施加位置為及其中軸線對稱位置，處是內燃機內的無固定支撐。

如圖4所示，活塞工件所受最大應力為53.682 MPa，最小安全系數為4.657。由于此最大應力未達到鍛鋁合金LD2的屈服極限，所以在此工況下結構安全，但材料未能充分利用[8]。

如圖5所示，安全系數最小為4.657，安全系數大于2工件即處于相對安全的工作環境，所以本文通過優化載荷來使內燃機利用更充分。

圖1 活塞簡化幾何模型

圖2 整體有限元模型

圖3 內燃機活塞的載荷及約束有限元模型

圖4 整體應力分布云圖

圖5 安全系數圖

3 內燃機活塞的有限元優化分析

3.1 內燃機活塞的有限元優化分析實驗研究

該內燃機活塞在正常工作條件下安全，通過對活塞材料的可利用研究，將載荷3作為設計參數、以最小安全系數1和最大等效應力2為目標進行優化分析。表2為內燃機活塞的模擬實驗數據。

表2 內燃機活塞的模擬實驗實驗數據

3.2 實驗結果分析

由圖6和圖7可以得出：最小安全系數與載荷呈非線性關系，最大等效應力與載荷呈線性關系。傳統工況下載荷0.75 MPa的最小安全系數為4.657，當載荷在（0.5, 1.5）時最小安全系數的變化較大、在（1.5, 3）時變化率較小。為提高材料的使用率可將內燃機功率增大，使載荷最大增至1.5 MPa，則安全系數為2.1，此工況下也是安全的，但功率提高了近一倍。優化前后的數據比較如表3所示。

表3 優化前后數據比較

4 結論

針對內燃機活塞的使用率，將活塞所受載荷設為參數變量，通過改變載荷大小得到內燃機活塞的最小安全系數變化趨勢圖和最大等效應力圖，從而推導出優化后的載荷為1.5 MPa。通過對內燃機活塞載荷的優化，使內燃機功率提高近一倍。研究結果表明，在內燃機活塞材料不變的前提下，通過優化載荷大小，可以提高內燃機功率、提高內燃機活塞利用率。

圖6 安全系數變化趨勢圖

圖7 最大等效應力圖

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[3]劉陽，蔡鵬. 某重型車輛平衡軸結構強度有限元分析[J]. 機電工程與經濟發展，2017（15）：226

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[5]苗偉馳. 活塞結構強度有限元分析[D]. 濟南：山東大學，2012.

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[8]黃成，盧潤生，張仁杰，杜佳玲，劉師良，趙佳峰，宋杰. 利用工業余熱的自由活塞式斯特林發電機裝置設計[J]. 機械，2017（11）：51-53.

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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

武漢工程大學第九屆研究生教育創新基金項目（CX2017026）

涂盼盼（1994－），男，湖北安陸人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計優化和有限元分析。

何毅斌（1966－），男，湖北武漢人，博士（后），教授、碩士生導師，主要研究方向為機械零件故障診斷分析研究、機械設計仿真優化分析。