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一、引言
某款发动机是公司最近攻关的难点，其曲轴系动力学、曲柄连杆机构静强度计算是公司基础研究项目的重要内容。从资源使用角度考虑，分别采用了多体动力学仿真软件RecurDyn和高端通用机械分析程序Workbench进行分析。RecurDyn进行的运动学/动力学计算结果可作为相关部件强度计算的载荷输入数据，这是活塞强度分析的数据准备工作。
活塞作为发动机最重要的部件之一，所处的工作条件也相当恶劣：高温、高速、高负荷、润滑不良、冷却困难等。因此它也是发动机中故障发生率较高的零件之一。在工作中，活塞除受高温燃汽的加热作用外，还受到气体压力、往复惯性力和连杆在倾斜位置时侧压力的周期性冲击作用。这些外部载荷通过软件模拟可以得到量化工作过程中活塞应力分布，并可评估活塞的强度是否满足使用要求，并为活塞设计提供参考。
本文应用多体动力学方法和有限元方法对某款发动机活塞进行强度分析，通过分析结果评估热负荷与机械负荷对活塞应力分布的影响，确定高应力区域，并为设计提供参考。
二、某款发动机曲轴系多体动力学建模
某型号发动机是一款133排量的发动机。将CATIA产生的曲柄连杆机构三维实体模型不经简化直接以STP格式导入RecurDyn软件。在模型中忽略油环衬套、活塞环等零件，与其他零件相比，这些零件的质量很小，对运动学/动力学计算结果的影响可忽略不计。曲柄连杆机构的CATIA模型如图1所示。导入RecurDyn软件的模型如图2所示。 （图片）
曲柄连杆机构的CATIA模型 （图片）
曲柄连杆机构多体动力学模型 将滚针轴承的滚针和支架合并为一个零件，模拟整个滚针轴承。根据连杆机构的实际工作情况，模型中采用的约束方式与施加的载荷条件为：
◎活塞与地面间：Translational(平动);活塞与活塞销间：Revolute(转动)。
◎活塞销与连杆小端间：Revolute;连杆大端与曲柄销间：Revolute。
◎曲柄销与滚针轴承间：Fixed(固定)。
◎左曲柄臂与曲柄销间：Fixed;右曲柄臂与曲柄销间：Fixed。
◎左曲柄臂与地面间：Revolute，并施加曲柄常用的转动角速度(7500r/min)。
◎活塞顶面施加气体压力。
◎曲柄连杆机构计算模型中施加的重力加速度为9806.65mm/s2，方向为模型中大地坐标系的Z 轴负向。
计算中采用的单位系统为：长度——毫米(mm)，质量——千克(kg)，时间——秒(s);角速度——弧度/秒(rad/s)，温度——摄氏度(℃)。导出单位：力——牛顿(N)，位移——毫米(mm)，速度——毫米/秒(mm/s)，加速度——毫米/秒2mm/s2)，应力——兆帕(MPa)。
该曲柄连杆机构为4冲程工作机构，一个工作循环的曲柄转角为720°，故此次运动学/动力学计算主要只针对曲柄连杆机构的一个工作循环进行。计算模型中，按活塞顶面直径为Φ=58mm，将活塞气体压力转化为作用在活塞顶面的集中力。
三、多体动力学模拟结果
位移、速度、加速度表征活塞的运动规律。另外加速度、气体力、活塞销支承力等为活塞在工作过程中所受的机械载荷，也是活塞强度计算的载荷条件。
图3至图5为活塞在一个工作循环中的位移、速度和加速度变化图。图6为7500r/min一个工作循环过程中活塞所受的载荷(气体作用力、汽缸侧压力)，随后做有限元计算时，以支承方式模拟活塞销对活塞的作用。（图片）
活塞在一个工作循环中的位移 （图片）
一个工作循环中活塞的速度 （图片）
一个工作循环中活塞的加速度 （图片）
一个工作循环中活塞上作用的气体力、汽缸侧压力 四、活塞的有限元模型
活塞材料为ZL109，其弹性模量为7.9E4N/mm2，泊松比为0.33，密度为2.68e-9kg/mm3，屈服极限为245MPa。活塞的几何模型在结构上基本对称，在工作时所承受的载荷也对称。为简化分析模型，提高求解效率，取活塞结构的一半进行计算分析。其模型如图7所示，有限元网格划分如图8所示。（图片）
活塞的1/2模型 （图片）
活塞二分之一有限元网格图 1.活塞温度场模拟结果
本次对活塞进行热分析的目的，是为了给后续的结构分析提供温度载荷边界条件。初始温度条件即活塞顶面温度，由测试结果给出。在7500r/min中的工况条件下，活塞的温度分布如图9所示。（图片）
活塞的温度分布云图 2.活塞静强度模拟结果
根据前期动力学分析结果，活塞在工作过程中，作用在活塞顶部的气体压力、活塞的加速度以侧压力不断发生变化。为了较准确反应活塞在工作过程中应力的变化情况，在动力学分析中，计算了一个工作循环活塞所承受的载荷。相应地，在静强度计算中，常用转速(7500r/min)下选取一个工作循环中活塞所承受载荷的极值作为计算工况序列。
为准确模拟活塞在工作状态下的边界条件及载荷，以便得到活塞较为真实的应力分布，在活塞有限元模型中增加活塞销以及简化的气缸，并将活塞销与活塞、活塞与气缸之间的连接用接触来模拟，接触计算模型如图10所示。采用简化载荷方式，虽然可以大大提高求解效率，但会导致加载、约束区域以及邻近区域出现应力集中，计算结果精度降低。（图片）
活塞接触计算模型图 在对称面上施加无摩擦支承(Frictionless support)模拟对称边界条件，在气缸上施加位移(displacement)约束气缸Y 向以及X 向的位移，在活塞销上施加位移(displacement)约束活塞销 Y 向位移。
在活塞顶部施加气体压力(pressure)，在活塞销中间部位施加X 方向的轴承载荷(载荷值与活塞侧压力相等，由于采用对称边界条件，侧向力载荷只需施加一半，方向与侧压力方向相反);活塞往复惯性力通过加速度(acceleration)的方式施加在活塞上。活塞热分析的结果(温度分布)作为温度边界条件施加到活塞上。
五、结果分析
活塞一个工作循环共计算7种工况。在这些工况中，随着曲轴转角不同，活塞所承受载荷大小发生变化，因此活塞上最大等效应力值也发生变化，最大等效应力出现的位置也不同。
活塞销一个工作循环中最大等效应力为192.09MPa。出现位置为活塞内表面上部与下部过度圆角接近活塞销座处。为了衡量活塞在机械载荷、热载荷作用下的应力分布，即考虑热效应对应力分布的影响。在忽略热载荷条件下，计算活塞的应力分布，其最大等效应力为140.59MPa，如图所示。（图片）
活塞在机械载荷作用下应力分布云图 同样，为了考量活塞在单独热载荷作用下的应力分布，计算了活塞在热载荷作用下的应力分布，如图所示。从图中可看出活塞在机械载荷下的应力分布与综合考虑机械与热负荷联合作用下的应力分布相差不大，并且最大等效应力值在两种工况下比较接近。由此可知，热负荷产生的应力值并不大。即温度对活塞强度影响不明显。同时从计算结果可知，某型发动机活塞的设计满足设计与使用要求。（图片）
活塞在热载荷作用下应力分布云图 六、总结
本文基于两款数值仿真软件，对某型发动机的活塞进行了机械负荷和热负荷作用下的强度分析。其分析结果可以作为设计参考，优化活塞的结构，使活塞具有合适的强度，并充分满足使用要求;同时可以作为试验参考，确保试验台架的正确建立，确定测试点的合理位置。
7/15/2010
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