某阿特金森發動機活塞強度疲勞分析

王 芳，周 權，雷正雨

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

活塞是內燃機的主要零部件之一，它的工作穩定性將直接影響到內燃機的可靠性、耐久性、經濟性及排放等一系列重要的性能指標[1]。另外，為實現發動機的阿特金森循環，活塞需要進行高壓縮比設計，活塞組的工況較普通自然吸氣發動機更為惡劣。

因此，以某款阿特金森發動機為研究對象，采用有限元分析方法，建立有效的活塞組模型，設計并驗證在阿特金森循環下，活塞組的強度、疲勞設計結果，為發動機整體匹配設計提供詳實的數據支撐。

1 活塞組有限元模型建立

活塞組分析模型包括：活塞、活塞銷、襯套、部分連桿，如圖1所示。

圖1 活塞組模型

1.1 活塞組網格建立

如圖1所示，建立活塞組網格模型，由于所分析模型中活塞、部分連桿、活塞銷、襯套均為對稱，因此在網格劃分前對模型先進行了CAD處理，取活塞組軸對稱為分析對象。同時，為避免增加計算量，需對活塞組中非重要特征，包括倒角、圓角等，進行清理。

如圖2所示，為網格模型。網格類型中，活塞與連桿采用四面體二階網格，并加以修正，類型為C3D10M；活塞銷及襯套集合類型對稱，因此采用六面體二階網格。

圖2 活塞組網格模型

為充分保留必要的幾何特征，接近于實際活塞模型，網格尺寸大小為1 mm。

1.2 材料屬性及接觸設置

表1所示為模型中各子部件的材料屬性。在接觸關系中，需建立面面接觸對，包括：連桿與襯套、襯套與活塞銷、活塞與活塞銷，摩擦類型建立金屬與金屬間摩擦，摩擦系數設置為0.2。

表1 模型材料參數表

2 工況及邊界載荷

活塞分析工況包括最大爆發壓力工況、慣性力工況等，因此計算邊界施加需綜合考慮活塞所受的熱、機械載荷?；钊墓ぷ鳁l件苛刻，需要承受較高的熱負荷和機械負荷，熱負荷主要是由活塞頂面高溫燃氣引起的，高溫燃氣使活塞頂具有較高的溫度和余部位具有較大的熱流密度，因此引起的熱應力比較大[2]。

2.1 活塞熱應力邊界

活塞頂面氣體溫度場分布以及面換熱系數邊界，如圖3、4所示。

圖3 活塞頂面氣體溫度場分布

圖4 活塞頂面熱交換系數

2.2 活塞機械載荷邊界

本研究所分析發動機為阿特金森發動機，其缸內設計最大爆發壓力為7.4 MPa，設計最高轉速5600 r/min，最大設計扭矩175 N·m。如圖5為發動機5600 r/min時，設計缸壓曲線。

圖5 5600r/min缸壓曲線

根據活塞受力情況，活塞所受機械載荷分別為：最大爆發壓力、活塞組慣性力。最大爆發壓力分布分別為：活塞頂、一環岸、一環槽?；钊M最大慣性力，通過簡易理論計算，可得值為：22 013 454.91 N。工況加載情況，如圖6所示。

圖6 載荷工況加載

2.3 工況加載設置

根據活塞組實際工作情況，工況加載可分為：熱應力工況、熱應力+慣性力工況、熱應力+慣性力+最大爆發壓力工況。

3 仿真結果分析

3.1 溫度場及熱載荷分析

如圖7所示為對活塞組進行熱傳導計算后溫度場分布，活塞最高溫度為活塞中心區域，其最大值為265℃。將溫度場加載在活塞組，進行熱載荷計算，得到如圖8所示結果。

圖7 溫度場分布結果

圖8 熱應力計算結果

如圖8所示，溫度場加載后熱應力分布，其最大值為156 MPa，最大值位置處于刮油環槽的回油孔。

3.2 熱應力與慣性力工況

如圖9所示為活塞組熱應力和慣性力工況耦合的計算結果，主要模擬活塞組排氣過程。其最大應力值為180 MPa，最大值分布在活塞銷孔上。

圖9 熱應力與慣性力工況

3.3 機械載荷與溫度載荷工況

在做功過程中，活塞組受到機械載荷和溫度載荷的加載，在該極限工況下的應力分布，如圖10所示，所受機械載荷包括：慣性力、最大爆發壓力，其較大應力主要發分布在一環環槽、油環回油孔以及活塞銷孔座中邊界處，最大應力分布在活塞銷孔座邊界處，其值為180 MPa，小于活塞材料屈服強度。

圖10 機械載荷與溫度載荷工況

3.4 活塞疲勞強度

活塞組屬于運動件，因此在校核計算中需考慮活塞組疲勞強度結果。在完成結構強度分析后，以活塞組極限工況為疲勞分析對象，將機械載荷和溫度載荷結果加載至疲勞分析中，壽命以無限壽命為目標。

如圖11、12、13所示為疲勞分析結果，活塞頂部疲勞因子≥1.49，活塞孔連接處等疲勞因子≥1.94?；钊M疲勞因子最小值為1.2，分布在活塞銷孔座上。活塞疲勞因子均滿足活塞組疲勞因子要求≥1.2。

圖11 疲勞分析結果1

圖12 疲勞分析結果2

圖13 疲勞分析結果3

4 結語

采用有限元分析方法，以阿特金森發動機活塞組為分析對象，結合該類型發動機的結構特點，實際的工況模擬，進行了結構強度、疲勞強度分析。從理論設計上對活塞組的可靠性、結構進行了驗證，計算仿真結果表明活塞最大應力值為180 MPa，遠小于活塞材料屈服強度，疲勞因子均≥1.2，該活塞組能夠滿足該款發動機的實際需求。