活塞的案例
【汽車活塞知識】
3、活塞與活塞壁間應(yīng)有較小的摩擦系數(shù)。
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(shù)小，比重小，具有較好的減磨性和熱強(qiáng)度。
活塞結(jié)構(gòu)
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(jī)活塞頂多采用平頂或凹頂，以便使燃燒室結(jié)構(gòu)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(jī)。柴油機(jī)的活塞頂常制成各種凹坑。
由活塞頂至最下面一道活塞環(huán)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(huán)傳給汽缸壁。活塞頭切有若干環(huán)槽，用以安置活塞環(huán)。上面的2、3道槽用來安置氣環(huán)，下面的1、2道槽用來安裝油環(huán)。油環(huán)槽的底部鉆有若干小孔，可使油環(huán)從汽缸壁刮下的多余潤滑油經(jīng)此小孔流回油底殼。
活塞環(huán)槽以下的所有部分稱為活塞裙。其作用是引導(dǎo)活塞在汽缸中作往復(fù)運(yùn)動并承受側(cè)壓力。發(fā)動機(jī)工作時，因缸內(nèi)氣體壓力的作用，活塞會產(chǎn)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(cè)壓力作用下還會產(chǎn)生擠壓變形。上述變形的綜合結(jié)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(zhì)量的分布都不均勻，導(dǎo)致了各斷面的熱膨脹是上大下小。
活塞種類
由于內(nèi)燃機(jī)活塞在高溫高壓高負(fù)荷條件下工作，對活塞的要求相對較高，因此主要談?wù)剝?nèi)燃機(jī)活塞的分類。
1. 按使用的燃料來分，可分為汽油機(jī)活塞、柴油機(jī)活塞、天燃?xì)?em>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 HyperWorks在活塞分析計(jì)算中的應(yīng)用
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，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。
展開 AMESim之HCD庫介紹（4）帶彈簧的活塞腔 AMESim彈簧教程
今天我們來介紹帶彈簧的活塞腔模型
01
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帶彈簧的活塞腔（piston with spring）
該模型下屬三個子模型的特點(diǎn)與之前介紹的AMESim之HCD庫介紹（3）活塞腔類似，即BAP015與BAP016的區(qū)別為端口2、3的變量是相反的；而BAPREV1則是同樣擁有反向因果關(guān)系，可以參考前文進(jìn)行理解。
BAP015：
輸入端口 1 的壓力。流量和體積在此端口計(jì)算和輸出。
活塞的速度和位移在端口 2 處輸入，并未經(jīng)修改地傳遞到端口 3。
外力在端口 3 處輸入，端口 2 處的輸出力由壓力、彈簧力和外力計(jì)算得出。由閥體和活塞形成的腔室體積由端口 2 處的位移計(jì)算得出。端口 1 通常連接到壓力源、傳統(tǒng)液壓管路子模型或 HCD 液壓腔子模型。
對位移沒有限制，但可以通過具有末端擋塊的連接質(zhì)量子模型（如 MECMAS21）提供限制。請注意，假設(shè)端口 1 處的流量永遠(yuǎn)不會被活塞阻塞。
下圖顯示了與彈簧活塞模型相關(guān)的參數(shù)。
為了描述活塞運(yùn)動，定義了兩個參考系：
一個參考系連接到活塞腔上；
一個參考系連接到活塞桿。
這兩個參考系之間的相對軸向位置取決于端口處的輸入位移。當(dāng)所有端口位移都假定為 0 時，活塞桿進(jìn)入活塞腔坐標(biāo)系的軸向位置可以通過彈簧壓縮在零位的壓縮量 (xs0) 來定義。
這兩個圖片都對應(yīng)于“零位移”條件。
展開 無人機(jī)的(重油)活塞發(fā)動機(jī)
新型燃燒室結(jié)構(gòu)
美國Deltahawk公司設(shè)計(jì)出了一種新型燃燒室，活塞頂部與氣缸蓋之間設(shè)計(jì)成上下近似對稱的結(jié)構(gòu)，同時采用180°噴射角，大大提高了重油的霧化效果，減少了碳煙顆粒的排放，提高了發(fā)動機(jī)的整體性能。
相比新型燃料噴射系統(tǒng)，這種新型燃燒室基本上是發(fā)動機(jī)的重新設(shè)計(jì)了。
第二、活塞發(fā)動機(jī)的渦輪增壓技術(shù)
二沖程航空活塞發(fā)動機(jī)的優(yōu)劣勢
航空活塞發(fā)動機(jī)，可分為二沖程和四沖程兩類，其中小功率的兩沖程發(fā)動機(jī)占大多數(shù)。
二沖程航空活塞發(fā)動機(jī)，即活塞從上到下、從下到上兩個行程的發(fā)動機(jī)，采用化油器、風(fēng)冷、自然式吸氣，具有結(jié)構(gòu)簡單，重量較輕，運(yùn)動部件少維護(hù)方便，升功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，能夠達(dá)到低空短航時無人機(jī)的需求。
二沖程活塞發(fā)動機(jī)的做功原理，導(dǎo)致難以避免掃氣過程(進(jìn)、排氣重疊期稱為掃氣期)的廢氣排出損失，導(dǎo)致油耗高，潤滑油消耗量也大，經(jīng)濟(jì)性差。另外由于缸數(shù)和冷卻的限制，進(jìn)一步提高功率很難。廢氣渦輪增壓的難度也較大。
燃油/潤滑油經(jīng)濟(jì)性差，就對無人機(jī)的長航時構(gòu)成不利影響，這是一方面的缺點(diǎn)。
由于高空環(huán)境下空氣稀薄，密度和溫度下降，導(dǎo)致進(jìn)入缸內(nèi)的空氣量減小，發(fā)動機(jī)充量系數(shù)下降，熱負(fù)荷增加，排溫升高，使得燃燒過程惡化，需要對其進(jìn)行增壓。
而二沖程發(fā)動機(jī)無法有效增壓，發(fā)動機(jī)的功率也不能有效提高，就難以提高發(fā)動機(jī)的巡航高度和實(shí)用升限，無人機(jī)的高原高空性能就會受到制約。這是另一方面的缺點(diǎn)。
這兩個缺點(diǎn)，造成了二沖程發(fā)動機(jī)難以滿足中空長航時無人機(jī)需求。
四沖程航空活塞發(fā)動機(jī)
相比之下，四沖程航空活塞發(fā)動機(jī)，分為進(jìn)氣行程、壓縮行程、作功行程和排氣行程，燃油經(jīng)濟(jì)性比二沖程要好，功率也可以比二沖程航空活塞發(fā)動機(jī)功率更高。
展開 
基于Ansys-workbench/LS-Dyna 的活塞沖擊動力學(xué)分析
（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(fā)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(chǎn)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(yùn)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(yùn)動且活塞軸向位移逐漸減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)0.23ms左右時，活塞與釬桿發(fā)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(yīng)的，與實(shí)際情況相符。
圖5 0.12ms活塞的沿軸線的剖面米塞斯應(yīng)力云圖
由圖中可以看出：活塞內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻且比較復(fù)雜，較大應(yīng)力的位置也在不斷變化，這是因?yàn)槭艿綉?yīng)力波的作用，應(yīng)力波波峰經(jīng)過的位置即為較大應(yīng)力處，應(yīng)力波在不斷的傳播過程中，較大應(yīng)力位置也在不斷改變。
展開 活塞碗的優(yōu)化設(shè)計(jì)
活塞碗是活塞頂部的一個凹槽燃燒室，該部件主要應(yīng)用于（直噴式）柴油機(jī)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(zhì)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(jīng)濟(jì)性。此外，使用一個高效的活塞碗還能有效減少缸內(nèi)排放物（如NOx和碳煙）而節(jié)省相應(yīng)的后處理成本。
活塞碗CAESES參數(shù)化模型
CAESES活塞碗設(shè)計(jì)能力
CAESES已經(jīng)成功應(yīng)用于最先進(jìn)活塞碗的優(yōu)化，并在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出幾個關(guān)鍵功能。主要功能介紹如下：
● 在CAESES中可實(shí)現(xiàn)對任意外形進(jìn)行參數(shù)化調(diào)節(jié)。活塞碗的設(shè)計(jì)不限于預(yù)定模板，還可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行自定義參數(shù)。期間，可使用任意曲線類型進(jìn)行造型，包括直線、圓弧和各種樣條線。
● 活塞碗的型線可實(shí)現(xiàn)沿圓周方向進(jìn)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(shí)現(xiàn)魯棒性良好的幾何變化，不會因?yàn)閰?shù)變化而導(dǎo)致模型失效。對于其他幾何復(fù)雜形狀，我們的目標(biāo)依然是100%魯棒性變化，僅僅需要通過智能參數(shù)化和基礎(chǔ)模型相結(jié)合。
● 壓縮比可以通過幾何變量設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，確保每個設(shè)計(jì)方案具有相同的壓縮比，而不會浪費(fèi)時間在不可行方案的設(shè)計(jì)上。這是一個內(nèi)部迭代優(yōu)化過程，其中的調(diào)整變量可以自由選擇。甚至可以在自動調(diào)整過程中選擇優(yōu)先順序，首先選擇第一個指定變量與壓縮比進(jìn)行匹配，如果不行，則添加下一個變量，以此類推。
● 也可以實(shí)現(xiàn)其他形式的自動調(diào)整，例如根據(jù)噴嘴角度調(diào)整碗的形狀。
● 幾何模型可以根據(jù)CFD網(wǎng)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(jìn)行定義區(qū)分，以便后續(xù)工具能夠識別，方便對網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件進(jìn)行設(shè)置。
● 可以將活塞碗跟噴油策略或者其他工藝參數(shù)（比如燃料、EGR量等）相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。
展開 基于AMESim的往復(fù)活塞泵建模與分析
新型軌/姿控發(fā)動機(jī)采用往復(fù)活塞泵對推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送，可提高空間液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)性能，減輕發(fā)動機(jī)質(zhì)量。通過AMESim 軟件建立軌/姿控發(fā)動機(jī)往復(fù)活塞泵模型，對該模型的建立過程進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并且進(jìn)行了動態(tài)仿真。結(jié)果表明，受氣體壓縮性的影響，活塞的往復(fù)運(yùn)動存在停頓現(xiàn)象，適當(dāng)調(diào)整液缸內(nèi)彈簧的彈性系數(shù)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(wěn)定性。
軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各類航天器和導(dǎo)彈武器，其主要作用是為航天器飛行過程中變軌和姿態(tài)控制提供控制力和控制力矩。現(xiàn)有的擠壓式推進(jìn)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(zhì)量輕的要求。美國的勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室，研究利用小型的往復(fù)活塞泵對推進(jìn)劑進(jìn)行增壓輸送，可獲得高于入口10～15倍的壓力，使得推進(jìn)劑可低壓存儲，有效地減輕了系統(tǒng)質(zhì)量。
針對通過反復(fù)的樣品試制和試驗(yàn)來分析軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的方法，提出基于AMESim仿真平臺，建立軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)用往復(fù)式活塞泵模型，并對往復(fù)泵工作過程進(jìn)行數(shù)值仿真，得到往復(fù)泵出口流量特性及活塞運(yùn)動過程對其性能的影響，可有效降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期。
1、往復(fù)泵的工作原理與建模
1.1、往復(fù)活塞泵的原理
作為自增壓式軌/姿控推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，往復(fù)式活塞泵的原理及結(jié)構(gòu)如圖1所示。往復(fù)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(nèi)安裝有彈簧組件。當(dāng)系統(tǒng)向往復(fù)泵持續(xù)供應(yīng)燃?xì)鈺r，若燃?xì)馔苿?em>活塞A，C向里運(yùn)動，進(jìn)入排液沖程，輸出高壓推進(jìn)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(jìn)劑自身壓力下進(jìn)行推進(jìn)劑充填。
展開 液壓缸活塞密封圈的真實(shí)作用，工廠老師傅都不一定知道
液壓缸的組成
液壓缸通常由后端蓋、缸筒、活塞桿、活塞組件、前端蓋等主要部分組成。
液壓缸的基本結(jié)構(gòu)圖
為防止油液向液壓缸外泄漏或由高壓腔向低壓腔泄漏，在缸筒與端蓋、活塞與活塞桿、活塞與缸筒、活塞桿與前端蓋之間均設(shè)置有
密封裝置
。
小小的活塞密封圈，可將液壓缸的兩個腔室（
無桿腔
和
有桿腔
）分成兩個不同的壓力區(qū)。
在前端蓋外側(cè)，還裝有防塵裝置。
為防止活塞快速退回到行程終端時撞擊缸蓋，液壓缸端部還設(shè)置緩沖裝置；
有時還需設(shè)置排氣裝置。
我們知道，液壓缸產(chǎn)生的是直線運(yùn)動。它由一個圓柱缸體和一個活塞桿組成，活塞桿在缸體內(nèi)進(jìn)進(jìn)出出。活塞的運(yùn)動范圍受限于缸體的長度。
活塞密封將缸體分為兩個腔室：有桿腔和無桿腔。
展開 重量減半安裝簡化 科德寶研發(fā)新型塑料活塞
科德寶密封技術(shù)公司研發(fā)了一款新型塑料活塞，依賴單部件密封技術(shù)，有助于節(jié)省能源并減輕雙離合器變速箱應(yīng)用中安裝液壓系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。
液壓儲壓器通過允許制造商們安裝較小的液壓系統(tǒng)來驅(qū)動變速箱齒輪。但是，由于儲壓器中的鋼制活塞需要安裝精密的密封組件，因此，液壓系統(tǒng)的安裝變得很復(fù)雜。據(jù)外媒報(bào)道，科德寶密封技術(shù)公司（Freudenberg Sealing Technologies）研發(fā)了一款新型塑料活塞，依賴單部件密封技術(shù)，有助于節(jié)省能源并減輕雙離合器變速箱應(yīng)用中安裝液壓系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。新活塞省去了密封包裝中的三個部件，因而使安裝更容易、重量更輕。
無論是用于經(jīng)典內(nèi)燃機(jī)還是創(chuàng)新混合動力系統(tǒng)，雙離合變速箱都可保證駕駛樂趣，可在牽引力未中斷的情況下進(jìn)行換擋操作。多年來，液壓儲壓器用于執(zhí)行齒輪傳動裝置的液壓啟動，并盡可能有效地緩沖峰值液壓需求。
科德寶密封技術(shù)公司研發(fā)的新型塑料活塞替代了迄今為止使用的鋼制活塞。鋼制活塞于成形過程中生產(chǎn)，配備精心設(shè)計(jì)的密封組件，其中包括兩個確保必要滑動性能的導(dǎo)向環(huán)。此外，活塞環(huán)還需要額外的支撐環(huán)予以固定。相比之下，新型塑料活塞在注塑過程中生產(chǎn)，僅需安裝一個密封環(huán)。
由于材料發(fā)生了變化，活塞的重量也可減少一半左右。由于現(xiàn)在安裝液壓儲壓器使用更少的組件，因此，安裝過程也得以簡化，提高了生產(chǎn)過程的可靠性。
科德寶密封技術(shù)公司與一家德國汽車制造商合作，繼續(xù)研發(fā)帶有塑料活塞的液壓儲壓器，并將其用于量產(chǎn)的混合動力汽車中。在廣泛的試驗(yàn)中，該技術(shù)已經(jīng)證明其具有上路的成熟度。
來源：蓋世汽車
展開 商用車活塞終鍛模具分體結(jié)構(gòu)研究
隨著國家對環(huán)保治理力度的加大，對發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)要求日趨嚴(yán)格，為滿足發(fā)動機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，鍛造鋼活塞在發(fā)動機(jī)活塞主流生產(chǎn)工藝中有廣闊的發(fā)展前景。但是市場化競爭也日益激烈，如果不能提質(zhì)降本，將會在活塞市場攻占過程中失去先機(jī)。然而我司商用車活塞生產(chǎn)過程中終鍛模具平均壽命一直很低，在生產(chǎn)300 件左右沿裙部出現(xiàn)開裂趨勢，連續(xù)生產(chǎn)后，隨著模具慢慢失效，模具最終開裂，模具成本居高不下，頻繁換模，班產(chǎn)提升不上去，對公司提質(zhì)降本，攻占活塞市場造成了很大的阻礙，因此提高活塞終鍛模具壽命勢在必行。
活塞終鍛模具壽命分析
終鍛模具開裂原因
商用車活塞結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能一次成形，本司商用車活塞生產(chǎn)主要的成形工藝包括鐓粗→預(yù)鍛→終鍛三個工步。鍛件型腔深，裙部薄，極難成形；深型腔設(shè)計(jì)在下模，預(yù)鍛型腔與終鍛型腔仿形設(shè)計(jì)，因此在預(yù)鍛時鍛件便已初步成形，當(dāng)預(yù)鍛件放入終鍛模具，成形過程中凸臺側(cè)和裙部圓角處受力過大，一般在生產(chǎn)500 件活塞后會造成模具沿圓角開裂甚至整塊模具破裂，如圖1 所示。
終鍛模具分體設(shè)計(jì)
圖1 整體模具開裂
目前，終鍛整體模具平均壽命為500 件，要想提高終鍛模具壽命就得降低終鍛模具易開裂部分應(yīng)力，因此，對模具進(jìn)行分體設(shè)計(jì)是一個很好的解決方法。如圖2 所示，將復(fù)雜且形狀不規(guī)則的模具分體，分體后的模具由外套和內(nèi)芯兩部分組成。我司活塞模具選擇在裙中間分體，這種分體方式便于模具制作，且能夠有效的減小應(yīng)力；接觸面采用過盈配合，這樣可以避免分體位置鉆毛刺。結(jié)合面需要設(shè)置一定長度的直段，這樣可以起到防轉(zhuǎn)的作用。
展開 基于CAESES的活塞碗優(yōu)化設(shè)計(jì)
活塞碗是活塞頂部的一個凹槽燃燒室，該部件主要應(yīng)用于（直噴式）柴油機(jī)中。直噴柴油機(jī)活塞碗對缸內(nèi)氣體流動和柴油混合具有非常關(guān)鍵的作用，可直接影響燃燒反應(yīng)的路徑和化學(xué)反應(yīng)速率，從而在很大程度上能夠決定發(fā)動機(jī)的性能和排放物的生成量。
目前的活塞碗研究方法受建模方式限制，主要是針對單個幾何參數(shù)進(jìn)行DOE分析，難以將多個幾何參數(shù)進(jìn)行綜合考慮，CAESES的參數(shù)化建模方法可以很好地解決這一問題。本文針對柴油機(jī)活塞碗，介紹了一種參數(shù)化建模方法，以CAESES建立活塞碗的參數(shù)化模型，并驅(qū)動CONVERGE執(zhí)行CFD優(yōu)化計(jì)算，從而降低NOx和soot的排放。
一、CAESES的活塞碗設(shè)計(jì)能力
CAESES已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多家知名企業(yè)的活塞碗優(yōu)化，并取得了良好的效果。在創(chuàng)建活塞碗的參數(shù)化模型過程中，CAESES具有以下功能特點(diǎn)：
1.可實(shí)現(xiàn)對任意外形進(jìn)行參數(shù)化調(diào)節(jié)。活塞碗的設(shè)計(jì)不限于預(yù)定模板，用戶可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行參數(shù)的自定義。
2.活塞碗的型線可實(shí)現(xiàn)沿圓周方向進(jìn)行變化，比如形成“波浪”碗形。
3.創(chuàng)建的模型具有很好的魯棒性，不會因?yàn)閰?shù)變化而導(dǎo)致模型失效。
4.壓縮比可以通過幾何變量設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整，確保每個設(shè)計(jì)方案具有相同的壓縮比，避免浪費(fèi)時間在不可行方案的設(shè)計(jì)上。
5.可以實(shí)現(xiàn)其他形式的自動調(diào)整，例如根據(jù)噴嘴角度調(diào)整碗的形狀。
6.幾何模型可以根據(jù)CFD網(wǎng)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(jìn)行定義區(qū)分，以便后續(xù)工具能夠識別，方便對網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件進(jìn)行設(shè)置。
7.可以將活塞碗跟噴油策略或者其他工藝參數(shù)（比如燃料、EGR量等）相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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某型通航發(fā)動機(jī)活塞溫度場和熱應(yīng)力的初分析
1、分析目的
活塞式通航發(fā)動機(jī)的活塞屬于高溫部件，在發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中活塞的溫度場和熱應(yīng)力是必須要進(jìn)行的分析項(xiàng)目。本案例是由于某型通航發(fā)動機(jī)為實(shí)現(xiàn)壓縮比增加而須對其活塞進(jìn)行熱校核的簡要分析。
2、模型說明
活塞如圖1所示，其材料為BH122A，材料材料如表1所示。
圖1 活塞的三維模型
表1 BH122A材料屬性
3、溫度場分析
欲得到活塞的溫度場，需要知曉活塞的熱邊界條件，一般而言，活塞的熱邊界條件比較復(fù)雜，活塞頂部與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，裙部與缸套接觸，而底部還有潤滑油進(jìn)行冷卻。所以，如果要得到活塞準(zhǔn)確的換熱邊界，往往需先進(jìn)行燃燒仿真分析、噴油冷卻分析、活塞動力學(xué)分析等一系列分析項(xiàng)目，由于本案例是活塞的初步分析，故而其熱邊界取同排量發(fā)動機(jī)的經(jīng)驗(yàn)值，具體取值如表2所示：
分析計(jì)算采用了SimSolid軟件，在SimSolid中施加的活塞熱邊界如圖2所示。得益于SimSolid軟件的無網(wǎng)格技術(shù)，在SimSolid中設(shè)置好材料和熱邊界（其中絕熱邊界在軟件中設(shè)置為熱流為0W/m2）后即能計(jì)算，并快速得出結(jié)果，得到的活塞溫度場分析結(jié)果如圖3所示。最大溫度為352.5℃，未超過材料許用溫度值。
圖2 在SimSolid軟件施加熱邊界
圖3 活塞的溫度場計(jì)算結(jié)果
3、熱應(yīng)力分析
在SimSolid軟件添加一個結(jié)構(gòu)線性分析，并將溫度場分析結(jié)果加載到活塞上，將活塞銷孔進(jìn)行約束后進(jìn)行計(jì)算，得到熱應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。最大應(yīng)力為23.35MPa，且位于銷孔內(nèi)，說明最大應(yīng)力并非來自熱應(yīng)力，而是因約束引起的應(yīng)力。
圖4 活塞的熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
4、總結(jié)
（1）、由于活塞的熱邊界來自經(jīng)驗(yàn)值，并非經(jīng)過CFD仿真分析后所得，所以溫度和應(yīng)力的分析結(jié)果有待進(jìn)一步核實(shí)、修正。
展開 活塞式無人機(jī)發(fā)動機(jī)高空性能模擬試驗(yàn)研究
本文基于內(nèi)燃機(jī)高海拔（低氣壓）模擬試驗(yàn)臺[5-6]，對無人機(jī)發(fā)動機(jī)高空運(yùn)行時的冷卻環(huán)境進(jìn)一步模擬，搭建了活塞式無人機(jī)發(fā)動機(jī)高空性能模擬試驗(yàn)臺，進(jìn)行了0-7000m海拔下的發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)，分析了海拔高度變化對活塞式無人機(jī)發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性影響規(guī)律。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)
性能試驗(yàn)在活塞式無人機(jī)發(fā)動機(jī)高空性能模擬試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖1所示。試驗(yàn)臺由進(jìn)排氣低壓模擬系統(tǒng)、高空冷卻環(huán)境模擬系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以及發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)等組成，可實(shí)現(xiàn)模擬0-7000m海拔下活塞式發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣壓力模擬、高空冷卻環(huán)境模擬，并能夠監(jiān)測發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性以及熱負(fù)荷性能參數(shù)。
試驗(yàn)用無人機(jī)發(fā)動機(jī)為Rotax-914對置活塞式汽油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 Rotax-914汽油機(jī)技術(shù)參數(shù)
試驗(yàn)中航空發(fā)動機(jī)的高空進(jìn)排氣模擬采用進(jìn)排氣低氣壓模擬系統(tǒng)來完成，該系統(tǒng)通過進(jìn)氣節(jié)流和排氣抽真空的方式，實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)高空條件下的進(jìn)排氣壓力模擬。圖2為進(jìn)排氣低壓模擬系統(tǒng)實(shí)物圖。
活塞式航空發(fā)動機(jī)對工作環(huán)境，尤其是對冷卻液溫度、進(jìn)排氣溫度等參數(shù)具有較為嚴(yán)格的要求，表2為對置活塞汽油機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控的參數(shù)及監(jiān)控儀器，共有溫度參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)6個、壓力參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)3個、流量參數(shù)監(jiān)測點(diǎn)3個。（表2）
2 高空環(huán)境對發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性影響結(jié)果分析
隨著海拔升高，空氣密度降低，活塞式航空發(fā)動機(jī)缸內(nèi)進(jìn)氣量減少，缸內(nèi)燃燒質(zhì)量惡化，直接影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。
由圖3、圖4可以看出，隨著海拔升高，活塞式航空發(fā)動機(jī)的動力性變化規(guī)律呈現(xiàn)以下特點(diǎn)。
展開 基于SimSolid的某型通航發(fā)動機(jī)活塞溫度場和熱應(yīng)力的初分析
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1、分析目的
活塞式通航發(fā)動機(jī)的活塞屬于高溫部件，在發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中活塞的溫度場和熱應(yīng)力是必須要進(jìn)行的分析項(xiàng)目。本案例是由于某型通航發(fā)動機(jī)為實(shí)現(xiàn)壓縮比增加而須對其活塞進(jìn)行熱校核的簡要分析。
2、模型說明
活塞如圖1所示，其材料為BH122A，材料材料如表1所示。
圖1 活塞的三維模型
表1 BH122A材料屬性
3、溫度場分析
欲得到活塞的溫度場，需要知曉活塞的熱邊界條件，一般而言，活塞的熱邊界條件比較復(fù)雜，活塞頂部與高溫燃?xì)庵苯咏佑|，裙部與缸套接觸，而底部還有潤滑油進(jìn)行冷卻。
展開 發(fā)動機(jī)活塞穿孔?原因竟然是因?yàn)?..
之前有卡友說他的天龍出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)活塞穿孔的現(xiàn)象。很多人都知道，現(xiàn)在的發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度很高，做功時候的較大壓力，讓鋁活塞已經(jīng)不能再承受。所以現(xiàn)在天龍搭載的雷諾發(fā)動機(jī)已經(jīng)采用了鋼頂鋁裙的鉸接式活塞，來解決這個問題，但是它的鋼頂活塞依然穿孔了，到底是什么原因呢？
從照片來看，第5缸活塞的鋼頂部分出現(xiàn)了一個開口，活塞表面布滿積碳。最初懷疑是它的油嘴可能有尿油現(xiàn)象，造成活塞頂部溫度過高穿孔。將6個噴油器送檢，結(jié)果顯示全部為工作良好狀態(tài)，這就說明不是該車本身的原因造成的故障，故障的原因來自人為。
既然不是噴油器的原因造成的，也排除了活塞的質(zhì)量原因，這個故障就顯得比較典型了。詢問得知該車是長期在四川-云南的路線上運(yùn)行，這條路線山大坡陡，發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大，但這還不足以引起鋼頂活塞出現(xiàn)穿孔。
根據(jù)故障現(xiàn)象分析，該車駕駛員在爬坡過程中，長期讓發(fā)動機(jī)處于高檔位低轉(zhuǎn)速的狀態(tài)，也就是我們俗稱的拖擋行駛。我們都知道當(dāng)車輛處于拖擋狀態(tài)下，發(fā)動機(jī)就會產(chǎn)生過負(fù)荷的現(xiàn)象，一次兩次無所謂，但在長時間的過負(fù)荷狀態(tài)下，鋼頂活塞也會不堪重負(fù)最終出現(xiàn)穿孔。正是因?yàn)槿绱耍囍鳛檫@次故障付出了慘痛的代價，不但耽誤了生意，還得付出一大筆車輛維修的費(fèi)用。
這個案例告訴我們，水滴石穿，一些長期的錯誤操作積少成多，最終也會造成車輛的故障，只有正確使用才能使我們的卡車少出或者不出問題，才能為我們創(chuàng)造更好的效益。
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