基于Altair Inspire 軟件的內(nèi)燃機(jī)活塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

陳俊豪，蘭自志，何傳茂，張棟梁，王 舵

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建南平 354300）

2022 年中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)同比增長(zhǎng)3.4%和2.1%，中國(guó)汽車(chē)出口躍居世界第二[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)有了更高層次的要求，活塞作為內(nèi)燃機(jī)的主要部件，提高其性能不可避免。對(duì)其輕量化的處理主要可以通過(guò)兩方面著手：一是選擇合適的材料鑄造；二是對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)這2 個(gè)方面使內(nèi)燃機(jī)活塞能夠達(dá)到性能要求。

1 活塞材料的選擇

在此次內(nèi)燃機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，在其優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，就其不同鋁合金材料的選擇進(jìn)行了對(duì)比。其中有2024 鋁合金[2]、6061 鋁合金[3]、7075 鋁合金[4]，各鋁合金主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 鋁合金主要化學(xué)成分（%）

三者對(duì)比后選擇6061 鋁合金（表2）。

表2 6061 鋁合金的力學(xué)性能

2 內(nèi)燃機(jī)活塞初始強(qiáng)度分析

2.1 初始強(qiáng)度分析設(shè)置

整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路如圖1 所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2.1.1 創(chuàng)建載荷工況

根據(jù)活塞實(shí)際受力情況對(duì)初始活塞模型設(shè)置載荷工況，如圖2 所示；①銷(xiāo)孔中心處進(jìn)行固定約束；②活塞上表面施加5 MPa 的壓力；③對(duì)活塞裙部側(cè)面施加0.5 MPa 的壓力[5-6]。

圖2 載荷工況

活塞頭部施加好載荷工況之后，分析單元尺寸部分選擇自動(dòng)計(jì)算平均單元尺寸，計(jì)算速度和精度部分選擇更準(zhǔn)確選項(xiàng)，最后通過(guò)運(yùn)行Optistruct 分析進(jìn)行初始強(qiáng)度的分析。

2.1.2 初始強(qiáng)度分析結(jié)果

1） 米塞斯等效應(yīng)力。最大米塞斯等效應(yīng)力為49.60 MPa，出現(xiàn)在活塞銷(xiāo)孔座與活塞內(nèi)腔接觸面處。

2）安全系數(shù)。最小安全系數(shù)為4.9，出現(xiàn)在活塞銷(xiāo)孔座與活塞內(nèi)腔接觸面處。

3）位移。最大位移為0.048 23 mm，出現(xiàn)在活塞裙部低端。

2.2 分析結(jié)論

以上模型的數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表3。最大米塞斯等效應(yīng)力小于材料的受壓屈服強(qiáng)度，因此可對(duì)活塞進(jìn)行下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表3 分析結(jié)果

3 初步輕量化設(shè)計(jì)

3.1 活塞頂厚設(shè)計(jì)

活塞頂部壁較厚，既增加了活塞重量，也不利于活塞散熱。采用活塞內(nèi)腔等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在保證活塞頂厚有足夠強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)了活塞的輕量化。因此活塞頂厚由6.9 mm 減小到5.4 mm[7]。

3.2 活塞裙部長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

活塞裙部主要受到側(cè)向力。足夠的裙長(zhǎng)可以使活塞運(yùn)行平穩(wěn)，進(jìn)而減小裙部面所受壓力，從輕量化角度考慮，活塞裙長(zhǎng)可以縮短最小不能超過(guò)活塞直徑的40%[7]。改進(jìn)活塞裙長(zhǎng)由35.1 mm 減小到34 mm。

3.3 活塞油孔槽優(yōu)化

初始活塞油孔槽在受熱受壓的情況下，原始結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生變形，同時(shí)結(jié)合實(shí)地調(diào)研對(duì)所生產(chǎn)活塞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后油孔槽

3.4 初步改進(jìn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)對(duì)初始活塞進(jìn)行初步輕量化改進(jìn)，總重量減少8.17 g。

4 拓?fù)鋬?yōu)化可行性分析

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化

4.1.1 定義設(shè)計(jì)空間

在拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中，初始活塞模型的設(shè)計(jì)空間部分，顯示為深灰色，其余為非設(shè)計(jì)空間，如圖4 所示。在最終形狀成型之前，被指定的設(shè)計(jì)區(qū)域會(huì)在優(yōu)化計(jì)算下不斷剔除多余的材料，直到成型為止[8]。

圖4 設(shè)計(jì)空間和非設(shè)計(jì)空間

4.1.2 設(shè)置形狀控制

對(duì)于本活塞結(jié)構(gòu)，對(duì)其采用對(duì)稱(chēng)、雙向拔模；雙向?qū)ΨQ(chēng)的設(shè)置。具體參數(shù)設(shè)定見(jiàn)表4。

表4 拓?fù)鋬?yōu)化方案

4.1.3 優(yōu)化參數(shù)設(shè)定

在運(yùn)行優(yōu)化之前，優(yōu)化目標(biāo)、質(zhì)量目標(biāo)及厚度約束的參數(shù)都需要提前設(shè)置好，特別是質(zhì)量目標(biāo)的設(shè)置，關(guān)系著優(yōu)化后的設(shè)計(jì)部分占原設(shè)計(jì)部分的百分之多少，同時(shí)考慮到活塞的實(shí)際工作狀況以及前文活塞頭部件的有限元分析結(jié)果，因此，要保證優(yōu)化后的活塞有足夠的強(qiáng)度和剛度，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際的高溫高壓情況下可以穩(wěn)定運(yùn)行[9]。考慮到活塞原始模型以及工藝型要求，本文在優(yōu)化時(shí)選擇質(zhì)量目標(biāo)為30%。

4.2 優(yōu)化重構(gòu)

根據(jù)圖5 所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，可以看到設(shè)計(jì)區(qū)域的材料分布沿銷(xiāo)孔中心向裙壁延伸，這是由于活塞裙部初始結(jié)構(gòu)較薄，又受到側(cè)應(yīng)力的作用，因此優(yōu)化后的設(shè)計(jì)區(qū)域主要是承受側(cè)應(yīng)力的作用。而對(duì)于圖6 所示結(jié)果，是對(duì)其優(yōu)化模型的幾何重構(gòu)，利用軟件中強(qiáng)大的PolyNURBS 擬合功能，使得優(yōu)化后的設(shè)計(jì)區(qū)域能夠和相近的非設(shè)計(jì)區(qū)域建立連接，最后，利用布爾運(yùn)算合并所有部分，得到最終幾何重構(gòu)模型。

圖5 方案1

圖6 方案2

4.3 強(qiáng)度校核

對(duì)以上活塞的優(yōu)化模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析參數(shù)的設(shè)置同前文中創(chuàng)建材料屬性與創(chuàng)建載荷工況時(shí)一樣，設(shè)置分析單元尺寸部分為1.5 mm，計(jì)算速度/精度部分選擇更準(zhǔn)確，最后通過(guò)Optistruct 模塊再一次進(jìn)行強(qiáng)度校核。米塞斯最大等效應(yīng)力不超過(guò)材料的屈服應(yīng)力241.3 MPa，安全系數(shù)不得小于2；輕量化效果越明顯越好。強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 強(qiáng)度校核結(jié)果

由以上結(jié)果可知，這兩種方案均符合條件，但如果批量生產(chǎn)的話，這2 種均不適用，主要原因在于拓?fù)鋬?yōu)化和幾何重構(gòu)所形成的活塞模型，其設(shè)計(jì)空間部分經(jīng)過(guò)優(yōu)化后呈現(xiàn)的為不規(guī)則形狀，無(wú)法進(jìn)行量化處理，因此以上2 種方案僅適用于3D 打印處理。

5 手動(dòng)幾何構(gòu)造可行性分析

5.1 優(yōu)化構(gòu)造背景

國(guó)外某公司為寶馬的一款發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)出一種X形的輕型活塞，這種活塞在裙部以及其他部位等都呈現(xiàn)出X 形狀。完成整體組裝后，相較于傳統(tǒng)的收縮窗式活塞，采用X 形活塞能夠減重96 g[10]。在自然界中人們主觀上認(rèn)為雞蛋、烏龜殼這些東西都是很脆弱的結(jié)構(gòu)，但在受到外力作用時(shí)卻能夠承受很大的力。大樓的圓形屋頂、商場(chǎng)的拱型頂蓋都是這種結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)都會(huì)承受不同的外載荷的擠壓而其特殊的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)卻使它們保持完好[11]。因此在設(shè)計(jì)空間進(jìn)行X 型探索設(shè)計(jì)后，對(duì)其剩余部位進(jìn)行一定的拱型探索設(shè)計(jì)。

5.2 優(yōu)化構(gòu)造

該優(yōu)化模型因?yàn)槭鞘謩?dòng)構(gòu)造，因此設(shè)計(jì)區(qū)域相交于第4 部分的更為完整。在Altair Inspire 軟件的幾何部分進(jìn)行圖形的繪制，之后通過(guò)分割、布爾運(yùn)算等操作構(gòu)造出X 型結(jié)構(gòu)，如圖7 方案3、圖8 方案4 所示。

圖7 方案3

圖8 方案4

5.3 強(qiáng)度校核

對(duì)活塞模型完成手動(dòng)幾何重構(gòu)后，在進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)，載荷工況和材料屬性都保持不變，其余施加條件同拓?fù)鋬?yōu)化后的模型進(jìn)行強(qiáng)度校核時(shí)一樣，而單元尺寸設(shè)置為3 mm，計(jì)算速度／精度仍然選擇更準(zhǔn)確，最后運(yùn)行Optistruct 分析進(jìn)行最終強(qiáng)度校核。強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 強(qiáng)度校核表

由表6 可以得出這2 種方案的最大應(yīng)力均不大于材料的屈服應(yīng)力，各個(gè)方案均有明顯的輕量化效果。在均符合條件的情況下，方案4 的輕量化效果比方案3更加明顯。綜上所述，采用方案4 作為最終的選擇。

方案4 強(qiáng)度校核云如圖9—圖11 所示。

圖10 安全系數(shù)云圖

圖11 位移云圖

5.4 本節(jié)總結(jié)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外X 型活塞設(shè)計(jì)、拱型仿真設(shè)計(jì)，以及手動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)出了以上活塞優(yōu)化模型。通過(guò)前后優(yōu)化對(duì)比，質(zhì)量總體下降了約4.660%，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，實(shí)現(xiàn)了活塞結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)表明，為了節(jié)能減排以及提高燃油效率，傳統(tǒng)的活塞可以使用綜合眾多學(xué)科精髓的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了活塞的輕量化設(shè)計(jì)。