摘要：活塞作為發動機動力單元的主要組成部分，在動力傳輸中處于關鍵核心位置。其結構強度，理論相對疲勞壽命直接影響發動機整體的壽命，對其進行有限元分析與結構優化有著十分重要的現實意義。在以往的有限元分析中，大多只對單個活塞進行有限元分析，而并沒有考慮整個動力單元之間的相互影響，本文運用Altair HyperWorks的強大前處理軟件HyperMesh建立了活塞，活塞銷，連桿整體模型，并對其進行了熱固耦合分析以及疲勞壽命分析，采用 HyperView對分析結果進行可視化處理。在此基礎上，運用Morph對結構進行了合理的優化，取得了良好的結果。 

關鍵詞：Altair HyperWorks,發動機,活塞,結構優化,疲勞壽命 

1 引言 

      發動機動力單元主要包括缸套，活塞，活塞環，活塞銷，連桿等零件，如圖1所示。活塞作為動力單元的關鍵零部件，工作環境惡劣，受載復雜，其失效將會導致整個發動機系統的失效。因此，本文以內燃機活塞作為研究對象，對其進行結構強度分析具有十分重要的現實意義。在活塞溫度計算過程中，充分利用試驗分析數據，計算出了活塞的準確溫度分布。在此基礎上，將活塞所受的熱應力與機械應力相結合，得到了準確的活塞應力分布。在疲勞分析的基礎上，運用Altair HyperWorks的Morph工具進行了結構優化。在分析計算過程中，HyperWorks作為一款先進的計算機輔助分析軟件，在設計研發中發揮了重要的作用。

        

      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 

      為了得到高質量的網格，有必要對模型進行一些幾何清理。本文以HyperMesh作為有限元分析前處理軟件，對導入的模型進行幾何處理。如圖3所示為導入時的模型，進行幾何清理之后的幾何模型如圖4所示。

          

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

                

2.2 活塞溫度場分析 

      分析活塞的實際運行情況以及現在發動機的試驗手段，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氣和冷卻介質之間的對流換熱系數、高溫燃氣以及冷卻介質的平均溫度。經加載計算，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氣的壓力，還受到汽缸壁對活塞的側推力、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。活塞承受的燃氣壓力與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，活塞內部產生一定的熱應力，所以要求活塞的質量小，熱膨脹系數小，導熱性小，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。對活塞結構進行有限元分析時，充分考慮了活塞復雜受力情況，如圖7所示。

             

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

           

3 疲勞壽命分析 

      本文采用工程中廣泛應用的疲勞分析理論Miner 線性累積損傷理論對活塞結構進行疲勞壽命評估，計算的疲勞壽命如圖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準2.5。

                 

4 優化分析 

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

           

      采用與優化活塞結構之前想同的邊界條件，計算得出的最大平均應力與應力幅值如圖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準2.5。

                   

5 結論 

      本文成功應用HyperWorks相關軟件對發動機動力單元進行有限元分析，在此基礎上應用HyperWorks強大的優化工具Morph對活塞進行結構優化，取得了理想的優化結果。HyperWorks作為一款先進的計算機輔助分析軟件，在設計研發中是一個非常有效的工具。