活塞
關注創建者：海闊天空5 創建時間：2021-04-09
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3、活塞與活塞壁間應有較小的摩擦系數。
4、溫度變化時，尺寸、形狀變化要小，和汽缸壁間要保持最小的間隙。
5、熱膨脹系數小，比重小，具有較好的減磨性和熱強度。
活塞結構
整個活塞主要可以分為活塞頂、活塞頭和活塞裙3個部分。
活塞的主要作用是承受汽缸中的燃燒壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸。此外，活塞還與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室。
活塞頂是燃燒室的組成部分，因而常制成不同的形狀.汽油機活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結構緊湊，散熱面積小，制造工藝簡單。凸頂活塞常用于二行程汽油機。柴油機的活塞頂常制成各種凹坑。
由活塞頂至最下面一道活塞環槽之間的部分稱為活塞頭。其作用是承受氣體壓力，防止漏氣.將熱量通過活塞環傳給汽缸壁。活塞頭切有若干環槽，用以安置活塞環。上面的2、3道槽用來安置氣環，下面的1、2道槽用來安裝油環。油環槽的底部鉆有若干小孔，可使油環從汽缸壁刮下的多余潤滑油經此小孔流回油底殼。
活塞環槽以下的所有部分稱為活塞裙。其作用是引導活塞在汽缸中作往復運動并承受側壓力。發動機工作時，因缸內氣體壓力的作用，活塞會產生彎曲變形，活塞受熱后，由于活塞銷處的金屬多，因此其膨脹量大于其他各處。此外，活塞在側壓力作用下還會產生擠壓變形。上述變形的綜合結果，使得活塞裙部斷面變成長軸在活塞銷方向上的橢圓。此外，由于活塞沿軸線方向溫度和質量的分布都不均勻，導致了各斷面的熱膨脹是上大下小。
活塞種類
由于內燃機活塞在高溫高壓高負荷條件下工作，對活塞的要求相對較高，因此主要談談內燃機活塞的分類。
1. 按使用的燃料來分，可分為汽油機活塞、柴油機活塞、天燃氣活塞。
2. 按制造活塞的材料來分，可分為鑄鐵活塞、鋼活塞、鋁合金活塞及組合活塞。
3. 按制造活塞毛坯的工藝來分，可分為重力鑄造活塞、擠壓鑄造活塞、鍛造活塞。
4.
展開 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。
展開 （a）活塞和釬尾（釬桿）速度曲線
（b）活塞和釬尾（釬桿）位移曲線
圖4活塞和釬桿的速度和位移曲線
由（a）（b）可知：在一次沖擊過程中，活塞與釬桿發生碰撞，受到較大的接觸力作用，初始速度11m/s迅速減小，釬尾（桿）速度逐漸增加，活塞與釬尾（桿）沿軸向方向的位移均在增加，釬尾在0.12ms-0.2ms之間速度增加的曲率稍微減緩，說明在0.12ms時，釬頭與巖石相互碰撞并產生接觸力，但巖石對釬桿的接觸力此時小于之后活塞對釬桿的作用力，釬尾（桿）仍作加速運動，之后釬尾（桿）的速度隨時間減小。在0.2ms左右活塞速度降為0，但活塞與釬桿并未分離，仍受到較大的接觸力，并向反方向作加速運動且活塞軸向位移逐漸減小，當到達0.23ms左右時，活塞與釬桿發生分離，活塞并以1.6m/s左右的速度勻速反彈.整個沖擊過程中，活塞和釬桿的速度和位移在時間上均對應的，與實際情況相符。
圖5 0.12ms活塞的沿軸線的剖面米塞斯應力云圖
由圖中可以看出：活塞內部應力分布不均勻且比較復雜，較大應力的位置也在不斷變化，這是因為受到應力波的作用，應力波波峰經過的位置即為較大應力處，應力波在不斷的傳播過程中，較大應力位置也在不斷改變。
展開 活塞碗是活塞頂部的一個凹槽燃燒室，該部件主要應用于（直噴式）柴油機中。在壓縮過程中，活塞碗的形狀會影響空氣和燃料的流動，從而影響兩者之間的混合。良好的均質混合氣可促成更有效的燃燒，從而提供更多的動力以及更好的燃油經濟性。此外，使用一個高效的活塞碗還能有效減少缸內排放物（如NOx和碳煙）而節省相應的后處理成本。
活塞碗CAESES參數化模型
CAESES活塞碗設計能力
CAESES已經成功應用于最先進活塞碗的優化，并在設計中體現出幾個關鍵功能。主要功能介紹如下：
● 在CAESES中可實現對任意外形進行參數化調節。活塞碗的設計不限于預定模板，還可根據自己的設計方法進行自定義參數。期間，可使用任意曲線類型進行造型，包括直線、圓弧和各種樣條線。
● 活塞碗的型線可實現沿圓周方向進行變化，比如形成“波浪”碗形。
● 針對碗形的幾何形狀，CAESES完全可以實現魯棒性良好的幾何變化，不會因為參數變化而導致模型失效。對于其他幾何復雜形狀，我們的目標依然是100%魯棒性變化，僅僅需要通過智能參數化和基礎模型相結合。
● 壓縮比可以通過幾何變量設置實現自動調整，確保每個設計方案具有相同的壓縮比，而不會浪費時間在不可行方案的設計上。這是一個內部迭代優化過程，其中的調整變量可以自由選擇。甚至可以在自動調整過程中選擇優先順序，首先選擇第一個指定變量與壓縮比進行匹配，如果不行，則添加下一個變量，以此類推。
● 也可以實現其他形式的自動調整，例如根據噴嘴角度調整碗的形狀。
● 幾何模型可以根據CFD網格工具要求，輸出各種類型的格式文件。同時還可對指定曲面進行定義區分，以便后續工具能夠識別，方便對網格參數和邊界條件進行設置。
● 可以將活塞碗跟噴油策略或者其他工藝參數（比如燃料、EGR量等）相結合進行設計。
展開 新型軌/姿控發動機采用往復活塞泵對推進劑進行增壓輸送，可提高空間液體火箭推進系統性能，減輕發動機質量。通過AMESim 軟件建立軌/姿控發動機往復活塞泵模型，對該模型的建立過程進行了詳細的闡述，并且進行了動態仿真。結果表明，受氣體壓縮性的影響，活塞的往復運動存在停頓現象，適當調整液缸內彈簧的彈性系數和液缸、氣缸直徑可以在保持流量不變的前提下有效提高輸出流量的穩定性。
軌/姿控推進系統廣泛應用于各類航天器和導彈武器，其主要作用是為航天器飛行過程中變軌和姿態控制提供控制力和控制力矩。現有的擠壓式推進劑輸送方式需要采用高壓貯箱和氣瓶，已無法滿足新型航天器安裝空間小、質量輕的要求。美國的勞倫斯·利弗莫爾實驗室，研究利用小型的往復活塞泵對推進劑進行增壓輸送，可獲得高于入口10～15倍的壓力，使得推進劑可低壓存儲，有效地減輕了系統質量。
針對通過反復的樣品試制和試驗來分析軌/姿控推進系統是否達到設計要求的方法，提出基于AMESim仿真平臺，建立軌/姿控推進系統用往復式活塞泵模型，并對往復泵工作過程進行數值仿真，得到往復泵出口流量特性及活塞運動過程對其性能的影響，可有效降低開發成本和縮短開發周期。
1、往復泵的工作原理與建模
1.1、往復活塞泵的原理
作為自增壓式軌/姿控推進系統的關鍵組件，往復式活塞泵的原理及結構如圖1所示。往復泵主要由A，B，C，D 4組對稱分布的增壓缸、換向閥、行程閥和管路組成，其中液缸內安裝有彈簧組件。當系統向往復泵持續供應燃氣時，若燃氣推動活塞A，C向里運動，進入排液沖程，輸出高壓推進劑，此時行程閥C向換向閥B，D輸入控制氣，使氣缸B，D排氣，在泵入口推進劑自身壓力下進行推進劑充填。
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關鍵工藝步驟：
脫脂清洗：產生油污
酸洗活化劑：增強表面活性
鍍鎳底層處理（可選但推薦）
電泳電鍍
清洗與后處理
關鍵控制要點：
表面粗糙度影響最終外觀
鍍層厚度需根據應用設定
電流分布影響鍍層均勻性
常見應用：
液壓活塞桿
機械傳動軸
工業倉庫
工裝夾具
合理的鍍鉻工藝可以顯著提高鋼件的耐磨性和使用壽命
氣動模型： 基于超聲速一階活塞理論。
數值離散： 采用梯形/任意四邊形域等參映射，結合算子化微分求積法（DQM），以極少的網格節點實現高精度全局離散，徹底消除有限元長寬比災難。
二、 求解器核心功能邊界
復雜特征兼容： 支持曲線纖維變剛度路徑空間分布、支持展向厚度漸縮/雙楔形截面、支持各種經典邊界條件（懸臂、簡支等）。
產品特點：
1、本企業標準氣缸;
2、活塞密封采用異型雙向密封結構，尺寸緊湊，有儲油功能;
3、為拉桿式氣缸，前后蓋與鋁管缸體用支柱連接，可靠性好;
4、與ISO15552標準氣缸相比，同缸徑SC系列氣缸長度小;
5、氣缸緩沖調節平穩;
6、多種規格的氣缸及氣缸安裝附件可供客戶選擇使用;
7、選擇耐高溫密封材料，可保證氣缸在150℃C條件下正常工作。
/strong></a></p><p><br></p><div contenteditable="false" width="100%"><hr></div><h3><strong>1月28日 | Ansys Fluent 網格運動模塊介紹遠程培訓</strong></h3><p><br></p><p><strong>簡介：</strong>許多實際工程問題涉及到物體運動或邊界變形 ，如發動機內部活塞運動
（組委會）陸亮（組委會）138（組委會）1821（組委會）9172（組委會）
參展范圍：
動力易損件：汽油濾清器、空氣濾清器、機油濾清器、散熱器、節溫器、活塞環、活塞銷、活塞銷襯套、正時鏈條、進排氣歧管總成、油底殼、汽油泵等；
結構易損件：輪轂、汽車輪胎、輪轂螺栓螺母、鋼板彈簧、鋼板彈簧襯套、空氣壓縮機、氣壓制動軟管、前后制動片、滾動軸承、緩沖膠、液壓制動軟管、盤式制動器等
