內燃機活塞結構可靠性數值仿真計算研究現狀與展望

何聯格，周 藍，蘇建強

（重慶理工大學 a.車輛工程學院；b.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

內燃機是大國重器的核心，高速、高效、高功率密度是其發展的趨勢。活塞作為內燃機的關鍵結構件，把燃料燃燒壓力傳遞給曲軸的同時，將承受缸內燃氣燃燒所產生的熱載荷及機械載荷（簡稱熱機載荷）的耦合作用，其表面和內部容易出現各種損傷和缺陷，因此其結構可靠性成為制約內燃機整機可靠性的關鍵。若活塞的結構可靠性得不到精確的預測，將嚴重制約內燃機的整機使用壽命。目前數值仿真計算方法是當前世界上公認的對活塞結構進行可靠性預測的有效和通用手段，能有效抑制活塞熱機疲勞、延長內燃機的使用壽命、提高整機運行平穩性及安全性，其社會和經濟效益顯著。隨著內燃機向高速和高功率密度方向的發展，缸內燃氣燃燒所產生的熱機載荷成倍增加，客觀上對活塞的結構可靠性提出了更高要求和更大挑戰，因此現階段對活塞數值仿真計算呈現出邊界條件精準化、計算方法多樣化和學科知識交叉化的發展趨勢。

本文根據國內外關于內燃機活塞結構可靠性數值仿真計算方法的研究進展分為了5個階段：對早期活塞進行自編程強度計算分析、結合商用軟件的活塞溫度場及應力場計算分析、熱機載荷耦合作用下活塞應力場計算分析、活塞高周熱機疲勞和低周熱疲勞以及考慮加工工藝的活塞結構可靠性等數值仿真計算分析方法，并對其發展過程進行詳細評述，在此基礎上指出了活塞結構可靠性數值仿真計算方法的發展趨勢，提出我國自主化活塞結構可靠性數值仿真計算標準的急迫性，以期全面提升我國內燃機整機結構可靠性數值仿真計算水平。

1 自編程數值仿真計算分析

早期由于受到數值仿真計算基礎理論和計算機技術的限制，對活塞的結構可靠性分析多采用自己編制算法對一維、二維以及簡單的三維問題進行數值仿真計算分析。文獻［1］對活塞進行過該類分析，但這些分析方法因過于簡單，已不適合現階段對活塞結構可靠性研究的需要，因此本文不再對其進行贅述。

2 結合商用軟件數值仿真計算分析

隨著計算機技術的發展，大批有限元商用軟件，例如 ANSYS、HYPERMESH、ABAQUS、MCS.PATRAN、MCS.NASTRAN、ADINA等得到了蓬勃發展。在早期結合商用軟件對活塞結構可靠性數值仿真計算分析時多采用活塞的1/4或1/2模型作為分析對象，文獻［4-5］便是以該方法對活塞結構的可靠性進行了分析。雖然將活塞簡化為二維或者三維對稱模型進行分析可以很大程度上減少計算量和工作時間，但是對活塞結構局部細節的受力及受熱分析仍存在不足，進而導致最后的計算結果與實際差異較大。

近年來，結合商用軟件對活塞結構可靠性的數值仿真計算分析方法變得更加完整，主要圍繞三維非對稱活塞模型在機械載荷作用下的應力場、熱載荷作用下的溫度場以及熱載荷作用下的熱應力場進行分析。

2.1 機械載荷與熱載荷單獨作用下的應力場

活塞應力場包括由缸內燃氣燃燒所產生的機械載荷引起的機械應力和熱載荷引起的熱應力。程文虎［6］在對活塞機械載荷作用下應力場的數值仿真計算研究中，考慮了活塞頂部燃氣壓力、銷座支反力、慣性力以及側推力對活塞的綜合影響后，得出了活塞最大變形位于活塞頂部邊緣處以及最大耦合拉應力位于銷座下側與裙部內側過渡處和底部凸緣處的結論。由于不合理的約束和動態邊界條件，不能得到僅由活塞溫度分布不均勻引起的熱應力，因此Lu Y H等［7］提出了新型的柴油機活塞熱應力分析方法，即在得到活塞熱機耦合應力場和機械應力場之后，對耦合應力場進行解耦得到熱應力場，仿真結果與實驗結果吻合。

2.2 熱載荷作用下的溫度場

在對活塞溫度場的研究中，葉曉明等［8］采用有限元法對無冷卻噴嘴、1個噴嘴底噴冷卻、2個噴嘴底噴冷等3種不同的冷卻方式下活塞穩態溫度場的分布進行了研究，并得出活塞第一道環槽溫度偏高是影響活塞壽命的重要因素。雷基林［9］研究得出，燃燒室形狀和燃燒室位置對增壓柴油機活塞穩態溫度場分布都存在一定的影響。王忠瑜［10］研究了活塞頂部厚度對活塞穩態溫度場的影響，研究表明活塞頂部厚度越小，活塞的整體溫度越高。Liu Y等［11］在對影響活塞瞬態溫度場關鍵因素的研究中，在實驗設計基礎上分析了主要邊界條件與特征點溫度之間的相關性，揭示了相應的數量相關性，瞬態計算方法被證明是科學有效的，為界定邊界條件鋪平了道路。同時，在對柴油機活塞非穩態溫度場研究中［12］，通過周期性瞬態熱分析表明，活塞與燃氣接觸表面是溫度波動的主要區域。

在對活塞溫度場更深一步的研究中發現，先進冷卻技術對活塞溫度場分布具有重要影響。Sun W F等［13］的研究結果表明：活塞在無冷卻條件下具有比有冷卻條件下更高的熱負荷和綜合應力，且無冷卻條件下會導致活塞頭部產生更大的熱變形，該研究結果也促使研究學者需要對活塞的先進冷卻技術進行深入研究。目前活塞主要冷卻方式有底部噴油冷卻、蛇管冷卻、熱管冷卻和振蕩冷卻等幾種方式，其中振蕩冷卻是現階段柴油機的主流冷卻方式［14］。針對活塞振蕩冷卻問題，章健等［15］通過對比活塞溫度場數值仿真計算結果和硬度塞試驗測試結果表明，對流換熱系數預測模型可有效預測活塞內冷油腔的傳熱系數，能為內冷油腔的設計提供一定的理論依據。Yong Y等［16］利用數值仿真計算與實驗測試相結合的方法驗證了活塞內冷油腔的振蕩傳熱數值模型的準確性。張衛正等［17］研究發現，隨著發動機轉速的提高，活塞內冷油腔的機油填充率下降，但是壁面換熱系數卻有所提高；同時，機油的振蕩沖擊對內冷油腔頂部和底部的強化換熱明顯高于側壁。Zhu N L等［18］對內燃機活塞內冷油道振蕩冷卻特性進行了仿真研究，研究表明：油道壁的平均溫度隨著冷卻油道高度的增加而降低；在降低活塞平均溫度時，注油率的貢獻大于油道結構。

冷卻油腔的位置和形狀同樣對活塞振蕩冷卻有一定的影響。宗明景等［19］的研究結果表明：活塞冷卻油腔軸向上移，活塞頂部和第一環槽溫度能得到有效降低。Liu J X等［20］的研究結果表明：冷卻通道的軸向位置對活塞溫度有明顯影響，冷卻通道的徑向位置對活塞的熱應力影響很大。雷基林等［21］研究結果表明：內冷油腔靠近活塞頂面和環槽底面時，能顯著降低活塞最高溫度及第一環槽溫度；但內冷油腔過于靠近活塞壁面時，活塞第三環槽及內腔頂面區域會出現較大的局部熱應力。李闖等［22］在對活塞冷卻油腔形狀的研究中，采用正交實驗法對設計的9種不同形狀的油腔進行了試驗，結果表明：冷卻油腔形狀對活塞溫度場影響較大，油腔高度對活塞溫度場的影響最為明顯。

3 熱機載荷耦合作用下數值仿真計算分析

因為活塞在內燃機運行過程中同時受到燃氣燃燒所產生的熱載荷和機械載荷的影響，單獨考慮活塞的應力場和溫度場對活塞的結構可靠性進行數值仿真計算分析與活塞實際運行工況是不相符的，所以必須考慮在熱機載荷耦合作用下活塞的實際工作情況，對活塞在熱機載荷耦合作用下的結構可靠性問題進行研究。

張俊紅等［23］對柴油機活塞在熱機載荷耦合作用下的結構熱機耦合應力數值仿真計算研究表明，活塞的變形主要是在熱載荷作用下的熱變形。Wang Y X等［24］對QT 300活塞在熱機載荷耦合作用下的結構可靠性數值仿真計算研究表明，最高溫度位于活塞頂部，最低溫度位于活塞裙邊，最高耦合應力位于活塞銷孔上方的內邊界。Liu Q等［25］研究表明，活塞在熱機載荷耦合作用下，耦合應力最大值位于銷座與銷孔接觸面上以及銷孔上方銷座內側，因此建議在活塞頸部與活塞銷座之間設置加強肋以提高銷座的實際承載能力。為了更加精確反映活塞受力及變形情況，賴菲［26］對活塞的幾個危險部位進行了熱機耦合瞬態動力學數值仿真計算分析，并得到了活塞的耦合應力載荷譜，耦合計算結果更加接近實際工況。

同時，相關學者在活塞熱機載荷耦合作用下活塞結構熱機耦合應力數值仿真計算結果研究成果的基礎之上對活塞進行了結構形狀優化。高暉［27］在對QT300活塞進行熱機耦合應力場分析之后，對活塞銷孔和活塞頭部進行了形狀優化，提高了活塞可靠性。寧海強等［28］根據活塞在熱機耦合作用下的位移場分布情況，對活塞結構進行了改進，降低了活塞工作時的最高溫度。

在活塞熱機耦合應力場仿真計算的研究成果的基礎上，相關學者對活塞的疲勞壽命展開了數值仿真計算分析。Liu X F等［29］為了研究活塞加速疲勞壽命與其運行方式之間的關系，分別計算了活塞在不同應力條件下的壽命，結果表明：逆冪律模型與僅受機械應力活塞的加速壽命吻合良好；廣義Eyring模型能夠很好地計算活塞在熱機耦合作用下的疲勞壽命。Floweday G等［30］在對柴油機活塞的熱機疲勞損壞和失效的研究中發現，導致活塞斷裂的原因是由于過大的熱機載荷致使初生硅相開裂和隨后的微裂紋形成，這種微裂紋的漸進式形成將導致足夠大的缺陷，通過高周疲勞機制引發傳播。

4 高周熱機疲勞和低周熱疲勞數值仿真計算分析

除前述對活塞進行熱機耦合應力場數值仿真計算分析外，國內外學者還對活塞結構可靠性進行了高周熱機疲勞和低周熱疲勞數值仿真計算分析研究。

4.1 高周熱機疲勞仿真計算分析

針對活塞高周熱機疲勞的研究，許春光等［31］基于FEMFAT疲勞分析軟件，考慮溫度場及各種修正因素影響對活塞單工況下高周熱機疲勞壽命進行了預測，以及采用雙線性累積損傷準則對柴油機考核工況下活塞疲勞壽命進行了預測。結果表明，采用雙線性累積損傷準則可便捷地進行多工況周期性熱機載荷作用下活塞高周熱機疲勞壽命預測。Krishnankutty P等［32］對近共晶鋁硅合金活塞的高周疲勞性能研究表明，擠壓鑄造的活塞合金具有高疲勞極限的特性。

4.2 低周熱疲勞仿真計算分析

針對活塞低周熱疲勞的研究，徐春龍等［33］以局部應力-應變理論Manson-Coffin公式和線彈性有限元理論為基礎，總結出了在熱疲勞與高溫蠕變相互作用下活塞的低周熱疲勞壽命預測公式。胡定云等［34］基于疲勞分析軟件FE-FATIGUE中的E-N方法，對鋁合金活塞進行了低周熱疲勞壽命預測，數值仿真計算預測結果與試驗結果基本吻合。許春光等［35］基于FEMFAT疲勞分析軟件中的HEAT Sehitoglu模塊，對活塞進行了多損傷因素下低周熱疲勞壽命預測，為活塞優化提供了依據。

Zhang W Z等［36］研究了鋁硅合金材料在不同溫度下的低周熱疲勞失效和在高溫下壓縮蠕變-疲勞失效過程中的微觀組織演變過程和斷裂機理，并總結了這2種試驗載荷下鋁硅合金材料的損傷模式。顯微觀察表明：在一定程度上，壓縮蠕變在高溫下的作用可以防止材料內大尺寸裂紋的萌生和擴展，并防止在低周熱疲勞載荷下快速發展的損傷。

但是，目前對活塞用鋁硅合金材料在不同溫度下低周熱疲勞性能和損傷機理的準確合理表征相對較少［37］。此外，低周熱疲勞壽命預測模型、加載溫度、熱機載荷相位與材料微觀結構損傷演變之間的綜合關系尚不十分清楚。到目前為止，學者們已經提出了較多的低周熱疲勞壽命預測模型［38-40］，它們大致可以分為應力準則、應變準則、應力-應變準則和能量準則等4類。然而，在高溫條件下使用應力或應變模型對鋁硅合金活塞進行壽命預測，將會出現如下問題：①鋁硅合金的循環應力具有明顯的循環軟化特性，在高溫下，活塞低周熱機疲勞期間循環應力降低，循環應變增加；②溫度的變化對材料的應力和應變響應有顯著影響；③ 基于應變的Manson-Coffin公式，忽略了應力變化對抗疲勞性能的影響，無法對異常疲勞壽命給出合理的解釋；④模型無法評估不同溫度下的活塞低周熱疲勞特性。Liu R等［41］和Shao C W等［42］研究表明，與應變幅相比，滯后能量是評估低周疲勞損傷的最佳選擇。Wang M等［43］研究了不同溫度下鋁硅合金活塞的裂紋萌生、裂紋擴展和熱機疲勞壽命以及相應的損傷機理等低周熱疲勞行為，提出并分析了基于滯后能量的模型以及與作為溫度函數損傷機制相關的相應參數。Zhang G H等［44］針對鋁硅合金活塞，詳細描述了其斷裂過程，提出了疲勞斷裂模型。Wang M等［45］在此基礎上基于滯后能量和應變率修正，考慮疲勞和蠕變耦合損傷，提出了一種新的基于能量的低周疲勞和熱機疲勞壽命預測模型，預測結果與鋁硅合金活塞的實驗測試結果吻合。Zhang W X等［46］研究表明鋁硅合金活塞的熱機疲勞裂紋擴展速率和等效應變范圍不依賴于試樣的形狀和尺寸。

5 工藝條件下可靠性數值仿真計算分析

活塞的加工工藝流程主要有鑄造、粗精車、鏜銷孔、表面處理等。圍繞活塞加工工藝條件下結構可靠性數值仿真計算方法的研究也在蓬勃發展。

5.1 考慮鑄造工藝的活塞結構可靠性數值仿真

鑄造是一種包含了大量復雜物理化學過程的金屬成型方法。活塞鑄件的質量與澆注過程、生產環境密切相關，且鋁硅合金材料具有復雜的凝固行為和組織結構形態，由于活塞鑄件結構、金屬熔煉以及工藝設計等方面原因，活塞鑄件會出現熱裂紋或者在某些部位產生過大的殘余變形缺陷，這2種鑄造缺陷都直接與凝固過程中熱應力的產生和發展有關。同時在鑄造過程中會伴隨著各種鑄造缺陷，如縮松、氣孔、冷裂、夾渣等。這些缺陷的存在不僅破壞材料的局部連續性，也大幅度地降低了活塞用鋁硅合金材料的力學性能和機械性能，使得材料過早斷裂和失效，嚴重地影響了活塞的服役性能和結構可靠性。

關于考慮鑄造工藝的活塞結構可靠性數值仿真，吳軍等［47］采用 ProCAST鑄造仿真軟件，對ZL104鋁合金活塞砂型重力鑄造過程進行了數值模擬，依據模擬結果，分析了鑄件充型凝固過程的速度場和溫度場，并預測出缺陷形成區域，建立了工藝優化措施。秦文真等［48］采用ProCAST軟件，對鋁合金活塞澆鑄過程中模具的溫度場和應力場進行了有限元仿真，根據溫度場與應力場仿真結果，預測了活塞模具的易失效區域，通過與實際失效結果對比，發現仿真結果中易失效區域位置與實際模具失效區域位置相吻合。沈家棟等［49］利用ProCAST軟件，針對ZL108鋁合金活塞鑄造工藝進行了數值模擬研究，利用正交試驗法考察了澆注溫度、澆注速度、模具溫度3個工藝參數，對數值模擬結果進行了晶粒尺寸、縮松縮孔分布、充型率等幾個方面的綜合評分。

然而，內燃機活塞在鑄造生產過程中會產生一定的殘余應力，針對活塞殘余應力的結構可靠性數值仿真計算，張衛正等［50］的研究結果表明：鋁合金活塞頂面殘余應力沿切削方向呈現兩頭小中間大并沿深度方向呈現由殘余拉應力向壓應力轉變的分布規律，且最大殘余拉應力隨切削速度增加而增大，但增大率減小；采用逐層鉆孔法測量了深度方向殘余應力的分布，對不同切削速度下已加工表面的殘余應力進行了測量，驗證了可靠性數值仿真計算所得的殘余應力變化規律的正確性。

但關于活塞鑄造殘余應力和鑄造缺陷可靠性數值仿真計算分析的研究較少，為了完整和準確地對內燃機活塞的結構可靠性進行數值仿真計算分析，將活塞的鑄造過程模擬、結構應力場分析和熱機疲勞壽命預測三者有機地結合起來，充分考慮鑄造殘余應力和鑄造缺陷對內燃機活塞機械性能及服役性能的影響，對活塞結構可靠性進行數值仿真計算也將是未來的發展方向。

5.2 結構表面仿生數值仿真

生物界中許多物種在進化過程中形成了抗疲勞的可靠性體表形態，相關學者已將這些非光滑形態應用于工程設計中。

關于活塞結構表面仿生，吳波進行了大量研究［51-54］，其研究結果表明：表面帶有凹坑和通孔的內燃機活塞，可以起到儲油、存屑改善潤滑的作用，同時可卸載活塞油環槽處的集中應力，提高內燃機工作效率；仿生活塞在卸載活塞回油孔集中應力和減阻、耐磨性能均高于標準活塞；貫穿于活塞裙部的軸向的淺窄大間距條紋可提高活塞疲勞壽命；對仿生活塞性能的影響從高到低依次是條紋寬度、條紋深度和條紋分布模式。國外Zheng L等［55］的研究結果表明，硬度梯度與六邊形紋理的仿生耦合可以提高抗磨損性能，為活塞的磨損和摩擦管理提供了新的策略。因此，考慮活塞表面微觀仿生結構對活塞結構可靠性影響的數值仿真計算方法亦為未來研究的一大熱點。

5.3 表面涂層和陽極氧化層數值仿真

關于活塞表面熱障涂層的研究，威望等［56］研究了活塞頂面熱障型陶瓷涂層對溫度場及耦合應力場分布的影響規律，研究結果表明，在活塞頂面涂覆導熱系數較低的陶瓷涂層，可減少燃氣傳遞給活塞基體的熱量，能起到很好的絕熱效果。Yao Z H等［57-58］的研究結果表明：涂覆納米氧化鋯熱障涂層活塞的基體溫度比傳統活塞的基體溫度低得多，這表明熱障涂層可有效地為活塞提供熱疲勞保護并減少熱損傷。雷基林等［59］的研究結果表明：活塞頂面熱障涂層能有效降低活塞頭部和環槽區域的工作溫度；但活塞頂面涂覆熱障涂層后，活塞基體頂面黏結層區域的熱應力會急劇升高，活塞基體頂面、喉口區域以及邊緣棱角處熱應力集中現象明顯，易導致熱障涂層的剝落失效。Cerit M等［60-61］研究了涂層厚度對活塞溫度場和熱應力場分布的影響，并通過數值仿真計算方法與未涂覆涂層活塞的結果進行了比較。同時，其研究了涂覆燃燒室沉積物涂層活塞在均質充量壓縮點火發動機中工作時的溫度場分布［62］。Zhang J等［63］的研究結果表明：石墨涂層的涂覆在減少摩擦和抵抗氣缸磨損方面起著重要作用，且石墨涂層的固體潤滑劑特性可以在諸如冷啟動或運行階段的苛刻條件下為耦合元件提供期望的保護。

楊靖等［64］研究了活塞頂部陽極氧化層對活塞熱載荷的影響，結果表明：在最大載荷工況下，陽極氧化活塞最高溫度較原始活塞最高溫度降低，其最大熱應力較原始活塞最大熱應力也減小，其他區域溫度和熱應力均有不同程度的減小，證明了陽極氧化工藝能降低活塞的熱負荷，同時有利于增強活塞的可靠性，延長其使用壽命。

5.4 燒蝕失效數值仿真

隨著內燃機向著高速和高功率密度方向發展，活塞的最高溫度已經超過400℃，甚至超過鋁合金活塞材料的熔點，會造成活塞燒蝕等失效破壞的發生，嚴重影響柴油機的正常工作。

在活塞燒蝕失效，張衛正進行了大量研究［65-67］，研究結果表明：表面溫度對鋁合金材料燒蝕的影響最顯著，氣流沖刷角度、燃氣速度對燒蝕的影響則依次減弱，鋁合金材料的燒蝕機制是熔化燒蝕和氣流剝蝕兩方面的共同作用；柴油機噴油器噴孔磨損變大將增大活塞發生燒蝕的可能性，且燒蝕量隨著噴油器孔徑的增大先增大后減小；添加氧化鋁纖維或硼酸鋁晶須均可改善鋁硅合金材料的抗燒蝕性能，其中添加硼酸鋁晶須的鋁硅復合材料具有最佳的抗燒蝕性能。

6 展望與建議

1）活塞結構可靠性數值仿真計算分析總體上呈現邊界條件精準化、計算方法多樣化和學科知識交叉化的發展趨勢。隨著內燃機向高速和高功率密度方向發展，在保證活塞結構可靠性數值仿真計算效率的前提下，如何提高仿真真實性以及提升仿真精度已成為活塞結構可靠性數值仿真計算亟需解決的關鍵問題。同時，不同類型活塞的數值仿真計算邊界條件、不同仿真類型的計算方法和多學科知識的交叉將推動活塞結構可靠性仿真計算的持續多樣化，以適應未來活塞結構可靠性仿真的復雜化和個性化工程需求。

2）從國內外研究現狀可以發現，我國活塞結構可靠性仿真計算水平與國外還有差距，其原始技術幾乎全部從國外引進，不僅耗資巨大，而且技術核心仍然掌握在國外企業手中，這同時將影響到我國內燃機制造業。為此，必須立足國情，針對我國汽車保有量大的特點，集中產學研用等行業優質資源，完善協同創新體系，在已有基礎上開展持久、全面、深入的理論研究和技術攻關工作，以打破國外技術封鎖，全面提升我國活塞結構可靠性仿真計算能力。