摘要：活塞作為發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力單元的主要組成部分，在動(dòng)力傳輸中處于關(guān)鍵核心位置。其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，理論相對疲勞壽命直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體的壽命，對其進(jìn)行有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在以往的有限元分析中，大多只對單個(gè)活塞進(jìn)行有限元分析，而并沒有考慮整個(gè)動(dòng)力單元之間的相互影響，本文運(yùn)用Altair HyperWorks的強(qiáng)大前處理軟件HyperMesh建立了活塞，活塞銷，連桿整體模型，并對其進(jìn)行了熱固耦合分析以及疲勞壽命分析，采用 HyperView對分析結(jié)果進(jìn)行可視化處理。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Morph對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的優(yōu)化，取得了良好的結(jié)果。 

關(guān)鍵詞：Altair HyperWorks,發(fā)動(dòng)機(jī),活塞,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,疲勞壽命 

1 引言 

      發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力單元主要包括缸套，活塞，活塞環(huán)，活塞銷，連桿等零件，如圖1所示。活塞作為動(dòng)力單元的關(guān)鍵零部件，工作環(huán)境惡劣，受載復(fù)雜，其失效將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的失效。因此，本文以內(nèi)燃機(jī)活塞作為研究對象，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。在活塞溫度計(jì)算過程中，充分利用試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，計(jì)算出了活塞的準(zhǔn)確溫度分布。在此基礎(chǔ)上，將活塞所受的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力相結(jié)合，得到了準(zhǔn)確的活塞應(yīng)力分布。在疲勞分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Altair HyperWorks的Morph工具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在分析計(jì)算過程中，HyperWorks作為一款先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，在設(shè)計(jì)研發(fā)中發(fā)揮了重要的作用。

        

      本文擬采用圖 2 所示的有限元分析流程。

                

2 動(dòng)力單元（PCU）的有限元分析 

2.1 有限元分析模型的建立 

      為了得到高質(zhì)量的網(wǎng)格，有必要對模型進(jìn)行一些幾何清理。本文以HyperMesh作為有限元分析前處理軟件，對導(dǎo)入的模型進(jìn)行幾何處理。如圖3所示為導(dǎo)入時(shí)的模型，進(jìn)行幾何清理之后的幾何模型如圖4所示。

          

      幾何清理之后，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格的劃分一方面要考慮對各模型幾何形狀的準(zhǔn)確描述，另一方面也要考慮變形梯度的準(zhǔn)確描述。劃分網(wǎng)格時(shí)必須考慮以下原則：網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格密度，良好的單元形狀，良好的剖分過渡性，網(wǎng)格剖分的自適應(yīng)性。基于以上原則，本文建立了活塞-活塞銷-連桿系統(tǒng)有限元分析模型，采用精度比較高的四面體十節(jié)點(diǎn)單元，建立的網(wǎng)格模型如圖5所示

                

2.2 活塞溫度場分析 

      分析活塞的實(shí)際運(yùn)行情況以及現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)手段，想要得到熱分析的第一類熱邊界條件或者是第二類熱邊界條件，即使是在已知活塞的邊界溫度或熱流也幾乎不可能的，所以本文采用第三類熱邊界條件分析活塞的溫度場，定義了活塞表面與高溫燃?xì)夂屠鋮s介質(zhì)之間的對流換熱系數(shù)、高溫燃?xì)庖约袄鋮s介質(zhì)的平均溫度。經(jīng)加載計(jì)算，得到活塞的溫度場分布，如圖6所示，活塞的最高溫度為272°C。

                

2.3 熱固耦合分析 

      活塞在做功行程中，不僅在其頂部受到高溫燃?xì)獾膲毫Γ€受到汽缸壁對活塞的側(cè)推力、連桿的作用力、慣性力以及與活塞銷之間的摩擦作用，工作狀況非常惡劣。活塞承受的燃?xì)鈮毫εc慣性力是周期性變化的，因此，活塞的不同部位受到交變的拉伸、壓縮或者彎曲載荷。并且由于活塞各部分的溫度及其不均勻，活塞內(nèi)部產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，所以要求活塞的質(zhì)量小，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性小，和耐磨性小。本文中的活塞采用MAHLE公司性能良好的M142鋁合金材料。對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，充分考慮了活塞復(fù)雜受力情況，如圖7所示。

             

      在活塞應(yīng)力計(jì)算過程中，考慮了活塞銷孔形線與外圓形線的影響，同時(shí)將溫度計(jì)算結(jié)果與機(jī)械應(yīng)力計(jì)算結(jié)果相耦合，為疲勞壽命分析打下基礎(chǔ)。如圖8所示為所計(jì)算的活塞在運(yùn)行過程中所受的最大平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值。

           

3 疲勞壽命分析 

      本文采用工程中廣泛應(yīng)用的疲勞分析理論Miner 線性累積損傷理論對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命評估，計(jì)算的疲勞壽命如圖9所示。活塞的最小相對壽命為0.6。低于MAHLE公司的相對疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)2.5。

                 

4 優(yōu)化分析 

      Morph是HyperMesh中用于直接改變模型網(wǎng)格的模塊。允許通過有效、合理、可視化的方式改變網(wǎng)格模型，在確保網(wǎng)格質(zhì)量最優(yōu)化的前提下實(shí)現(xiàn)以下功能：(1) 通過改變零部件網(wǎng)格來改變該零部件幾何形狀；(2) 參數(shù)化的改變零部件網(wǎng)格模型尺寸；(3) 把現(xiàn)有模型網(wǎng)格投影到新的幾何形面上；(4) 為形狀優(yōu)化分析創(chuàng)建形狀變量。基于Morph網(wǎng)格優(yōu)化功能，對活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，燃燒室頂面厚度增加了1 mm。如圖10所示為Morph優(yōu)化之前的網(wǎng)格模型，圖11所示為優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)。

           

      采用與優(yōu)化活塞結(jié)構(gòu)之前想同的邊界條件，計(jì)算得出的最大平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值如圖12所示。

           

      疲勞壽命分布如圖13所示。最小壽命為4.6。滿足MAHLE公司的相對疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)2.5。

                   

5 結(jié)論 

      本文成功應(yīng)用HyperWorks相關(guān)軟件對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力單元進(jìn)行有限元分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用HyperWorks強(qiáng)大的優(yōu)化工具M(jìn)orph對活塞進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取得了理想的優(yōu)化結(jié)果。HyperWorks作為一款先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，在設(shè)計(jì)研發(fā)中是一個(gè)非常有效的工具。