有限元分析方法在活塞研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

羅哲

摘要：柴油機(jī)活塞作為影響柴油機(jī)性能的重要零部件之一，一直以來(lái)都是專家學(xué)者的研究重點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法得到廣泛應(yīng)用，本文主要圍繞有限元分析方法在活塞研究上的應(yīng)用情況展開(kāi)討論。詳述了有限元方法在活塞研究上的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，并概括了有限元分析方法開(kāi)展活塞研究的實(shí)施步驟等，指明了現(xiàn)行研究方法中的不足，為進(jìn)一步加強(qiáng)有限元分析方法在活塞上的研究應(yīng)用提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);活塞機(jī)構(gòu);有限元分析

0 ?引言

柴油機(jī)是目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的動(dòng)力設(shè)備之一，在生產(chǎn)、生活各方面都起著十分重要的作用，但由于近年以來(lái)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的加劇以及國(guó)際環(huán)境的惡化，由此對(duì)于柴油機(jī)的各方面性能提出了新的要求和指標(biāo)。活塞作為柴油機(jī)上工作條件最為惡劣的零部件之一，是影響柴油機(jī)整機(jī)性能的重點(diǎn)所在，于是便出現(xiàn)了圍繞活塞的性能而展開(kāi)的一系列研究。隨著近代以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)于機(jī)械零部件進(jìn)行分析運(yùn)算，已經(jīng)趨于成熟，并且應(yīng)用廣泛，現(xiàn)已深入到分析各類機(jī)械的零部件[1]。運(yùn)用大型的有限元分析軟件，就機(jī)械負(fù)載、熱能負(fù)荷、溫度場(chǎng)等綜合作用下活塞的應(yīng)變情況，以及燃燒室的不同類型和位置對(duì)活塞性能的影響等進(jìn)行分析，然后利用計(jì)算結(jié)果改善活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而研制結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的活塞，業(yè)已成為現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外研究活塞的主要方向。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于柴油機(jī)活塞方面的研究還處于初步探索階段，而國(guó)外對(duì)于活塞方面的研究則較為成熟，而且許多研究技術(shù)和研究專利都被國(guó)外壟斷，因此，就活塞的各方面性能進(jìn)行有限元分析，對(duì)于完善我國(guó)柴油機(jī)發(fā)展領(lǐng)域、提高我國(guó)柴油機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)水平和打破國(guó)外在柴油機(jī)活塞技術(shù)上的壟斷地位具有十分重要的作用和意義。

本文就目前關(guān)于柴油機(jī)活塞在有限分析方面所取得的一些成果和存在的一些缺陷進(jìn)行對(duì)比分析，旨在探索出一條更為有效的分析活塞的研究道路，從而進(jìn)一步拓寬活塞的各方面性能研究，彌補(bǔ)活塞研究現(xiàn)狀中的不足。

1 ?活塞的研究現(xiàn)狀

在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，活塞長(zhǎng)期承受著周期交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的作用，因此，活塞是柴油機(jī)零部件中最易出現(xiàn)故障的零部件之一。活塞對(duì)柴油機(jī)的使用壽命、動(dòng)力性能、穩(wěn)定程度、經(jīng)濟(jì)狀況等都起著舉足輕重的作用。

目前國(guó)外對(duì)于柴油機(jī)活塞的研究較為完備，研究情況可以追溯到幾十年前，如美國(guó)、德國(guó)、日本等都在活塞方面進(jìn)行了深入而細(xì)致的研究，先后研制出了滿足不同用途的多種柴油機(jī)活塞，使得活塞的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化。八十年代，德國(guó)道依茨公司針對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程的噪音和提高效率等因素，通過(guò)合理設(shè)計(jì)活塞頂部的燃燒室，從而改善了活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪音情況，并且有效的提高柴油機(jī)的效率。另外，美國(guó)NTA-cumnins、德國(guó)Arlschmi-dt、意大利NOVA等公司根據(jù)研究實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)出耐高溫、體積穩(wěn)定性好、使用壽命高的柴油機(jī)活塞。

隨著活塞工作要求的不斷提高，與之相適應(yīng)的活塞設(shè)計(jì)技術(shù)也不斷發(fā)展，并出現(xiàn)了許多新的方向，其中最為重要的發(fā)展方向便是基于有限元方法的分析應(yīng)用技術(shù)。相比傳統(tǒng)活塞設(shè)計(jì)成本高、周期長(zhǎng)、數(shù)據(jù)有限、測(cè)試結(jié)果受相關(guān)條件的影響以至難以達(dá)到滿意的設(shè)計(jì)效果等問(wèn)題，有限元分析方法則有效的解決了這諸多困難。通過(guò)有限元技術(shù)進(jìn)行活塞的分析，不僅可以較好的模擬出真實(shí)的工作狀況，并且大大縮減了生產(chǎn)、制造、試驗(yàn)所花費(fèi)的人力、物力以及時(shí)間，其所提供的分析結(jié)果可以合理且可靠地指導(dǎo)活塞的進(jìn)一步設(shè)計(jì)完善，因此被廣泛應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)活塞的有限元研究，仿真分析活塞在受熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷時(shí)，其熱變形與溫度場(chǎng)情況，進(jìn)而得出活塞在設(shè)計(jì)方面的缺陷與不足，加以改善。對(duì)于有限元方法應(yīng)用于活塞的研究，國(guó)外比國(guó)內(nèi)起步要早，研究成果也更為突出。目前國(guó)內(nèi)基于有限元對(duì)活塞的分析研究還處于初始階段，但也取得了一定的成果，如吳喜驪[2]等基于活塞的熱負(fù)荷情況，通過(guò)熱電偶法測(cè)量活塞的溫度，建立有限元模型進(jìn)行活塞的耦合分析;劉延棟[3]等通過(guò)有限元分析活塞材料微觀金相結(jié)構(gòu)對(duì)活塞工作性能的影響，這些成果都為活塞的改進(jìn)提供了參考。

2 ?活塞的有限元研究方法

隨著有限元技術(shù)的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)活塞進(jìn)行了一系列的研究，研究領(lǐng)域包括：機(jī)械應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)變、熱應(yīng)力、熱疲勞、溫度場(chǎng)及其他機(jī)械強(qiáng)度等，并在此基礎(chǔ)之上開(kāi)展了沖擊、瞬態(tài)溫度場(chǎng)、潤(rùn)滑油膜等方面一系列的研究。活塞在利用有限元研究的方向上不斷的拓寬，且研究的深度不斷加強(qiáng)。

有限元分析的主要步驟可以概括為三步：

①建立有限元研究模型;

②確定有限元研究的邊界條件;

③求解有限元分析的結(jié)果。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于活塞的有限元分析還處于初級(jí)探索階段，但已經(jīng)初具規(guī)模，且大部分的研究方法和研究方向都趨近于相似，大部分的研究方法都缺少一定的驗(yàn)證性試驗(yàn)。通過(guò)比對(duì)數(shù)十篇有限元軟件在活塞中的應(yīng)用實(shí)例之后，可將其分析方法大致分為兩個(gè)方面：

2.1 數(shù)據(jù)——分析——結(jié)果

該類方法是利用試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)和柴油機(jī)標(biāo)定工況下的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)，與現(xiàn)今較為公認(rèn)的活塞理論整合之后代入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行有限元分析運(yùn)算，得出運(yùn)算結(jié)果，進(jìn)而為活塞的性能改善提供依據(jù)。

文獻(xiàn)[4]中，利用基本數(shù)據(jù)并直接采用有限元方法對(duì)于某活塞進(jìn)行溫度分布情況分析，并將結(jié)果代入到多體動(dòng)力學(xué)分析模型中，分析活塞的側(cè)推力對(duì)活塞應(yīng)力分布產(chǎn)生的影響，計(jì)算活塞在熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷和熱機(jī)負(fù)荷耦合作用下活塞的應(yīng)力和應(yīng)變情況。該文獻(xiàn)的不足在于對(duì)于活塞的溫度載荷邊界條件考慮得不夠全面，且將活塞的溫度視為穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，忽略了溫度波動(dòng)的影響。

文獻(xiàn)[5]中，直接應(yīng)用有限元分析軟件，建立某內(nèi)燃機(jī)活塞的三維有限元分析模型，利用估算的瞬態(tài)交變熱應(yīng)力計(jì)算了瞬態(tài)過(guò)程中和快速冷啟動(dòng)過(guò)程中活塞溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力情況。該文獻(xiàn)的不足在于模型只建立了四分之一的模型，忽略了模型建立的整體性，而對(duì)于活塞頂部非穩(wěn)態(tài)熱彈性應(yīng)力采取了一系列的假設(shè)條件，因此，所得結(jié)果還具有一定的改善空間。

綜上所述，該種方法的主要不足之處在于只是利用基本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，缺少對(duì)于經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，只能為活塞的改善提供一定的借鑒。

2.2 數(shù)據(jù)——分析——比對(duì)——校正——結(jié)果

該類方法利用基本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析，進(jìn)而得到一系列的計(jì)算結(jié)果，再與實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行對(duì)比，反饋計(jì)算機(jī)更正約束條件，盡量使計(jì)算條件與實(shí)際情況相符，從而進(jìn)一步分析，得到分析結(jié)果。

文獻(xiàn)[6]中，針對(duì)4100QBZ型渦輪增壓柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷高的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)活塞進(jìn)行硬度塞測(cè)溫法實(shí)測(cè)了一系列具有特征性的溫度數(shù)據(jù)，然后利用有限元軟件將測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)代入到計(jì)算機(jī)中，按照現(xiàn)今較為公認(rèn)的活塞傳熱邊界條件與實(shí)際測(cè)量數(shù)值進(jìn)行綜合，以此作為活塞的約束條件，得到該活塞在標(biāo)定工況下的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)及變形情況，為活塞溫度場(chǎng)有限元分析計(jì)算提供了參考。該文獻(xiàn)的不足在于進(jìn)行三維建模過(guò)程中忽略了活塞的某些局部特征如活塞銷座內(nèi)側(cè)的倒角等，而這些倒角對(duì)于活塞的性能或許會(huì)產(chǎn)生影響，且僅從熱負(fù)荷問(wèn)題進(jìn)行研究，忽略了其他如機(jī)械負(fù)荷作用所產(chǎn)生的影響。

文獻(xiàn)[7]中，針對(duì)PA6-280柴油機(jī)的鋼頂鋁裙組合式活塞的熱負(fù)荷問(wèn)題，進(jìn)行該型活塞的三維熱分析。利用實(shí)驗(yàn)所測(cè)的結(jié)果與有限元分析所得的結(jié)果進(jìn)行比較，改善有限元分析中的約束情況，得到與實(shí)際測(cè)量相吻合的三維溫度場(chǎng)，從而進(jìn)一步進(jìn)行有限元計(jì)算，得出計(jì)算結(jié)果。該文獻(xiàn)的不足在于模型中簡(jiǎn)化了活塞銷座和加強(qiáng)筋、螺栓，忽略了活塞頂上表面的換熱系數(shù)和溫度的周期性波動(dòng)等條件。

綜上所述，該種方法的共同缺陷在于運(yùn)算量大，試驗(yàn)次數(shù)多，試驗(yàn)過(guò)程繁瑣。優(yōu)點(diǎn)在于能較為準(zhǔn)確的得到與實(shí)際情況相符合的結(jié)果，為活塞機(jī)構(gòu)的合理改善提供了方向。

3 ?活塞研究存在的問(wèn)題與發(fā)展趨勢(shì)

活塞對(duì)柴油機(jī)的排放性能、工作效率、使用壽命等均有影響，并且在很大程度上決定著整個(gè)柴油機(jī)的使用性能。目前國(guó)內(nèi)在活塞的研究方法上還存在許多的不足，有待解決的問(wèn)題較多：

①對(duì)于活塞模型的建立需要更加精確化，大部分有限元分析模型的活塞都是或多或少的忽略了一些局部的特征，這些特征或許對(duì)于活塞的性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。

②對(duì)于活塞運(yùn)作過(guò)程的邊界條件需要進(jìn)一步的確切化，有限元分析活塞時(shí)所采用的約束條件大多是基于經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)之上，要不就是直接利用經(jīng)驗(yàn)公式，或者就是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上修正經(jīng)驗(yàn)公式所得值，而往往忽略完善經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，在研究的過(guò)程中應(yīng)該在經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，完善經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)而得到與真實(shí)工作條件相一致的計(jì)算公式和理論。

③對(duì)于活塞在有限元分析之后的驗(yàn)證性試驗(yàn)有待進(jìn)一步加強(qiáng)，目前大多數(shù)的研究者都是在有限元分析之后給出一系列分析結(jié)果為活塞結(jié)構(gòu)性能的提高提供了理論依據(jù)和重要參考，往往缺少一定的實(shí)踐環(huán)節(jié)。這是需要著重加強(qiáng)的一點(diǎn)。從理論到實(shí)踐再到理論，才是一條完整的科研閉環(huán)。

隨著有限元研究技術(shù)的不斷發(fā)展，以及活塞研究的不斷深入，相信在未來(lái)這些問(wèn)題一定都會(huì)得到優(yōu)化解決。

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