基于有限元分析的發動機活塞輕量化設計

摘 要：在有限元分析的基礎上，采用材料替換及結構拓補優化的方法對某發動機活塞進行輕量化設計。利用SolidWorks 建立活塞三維模型，將活塞原始材料1015鋁合金替換為7075 鋁合金；運用Altair Inspire有限元分析軟件分別對兩種材料的活塞進行靜力學分析及模型質量測量，采用拓撲優化方法進行結構優化。仿真結果表明：優化后活塞質量減輕了64%，活塞的最大應力減小了12%，安全系數提升了3.7。

關鍵詞：發動機活塞；有限元分析；輕量化；應力分析

中圖分類號：TH457文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0239-04

Lightweight Design of Engine Piston Based on Finite Element Analysis

Abstract：Based on the finite element analysis， the lightweight design of an engine piston is carried out by the methods of material replacement and structural topology optimization. SolidWorks is used to establish a 3D model of the piston. 1015 aluminum alloy， the original material of the piston， is replaced by 7075 aluminum alloy. Altair Inspire is applied to conduct static analysis and model mass measurement for the pistons of the two materials， and structure optimization is carried out by topology optimization method. The simulation results show that after material replacement and structure optimization， the piston mass is reduced by 64%， the maximum stress of the piston reduced by 12%， and the safety factor increased by 3.7.

Keywords：engine piston; finite element analysis; lightweight; stress analysis

0 引言

活塞是發動機的最關鍵零部件，其質量將直接影響發動機的性能［1］。若要保證發動機的穩定運行，活塞的強度及剛度必須達到力學性能要求，但單純增加活塞材料厚度不僅會增加質量，增加運行能量消耗，還會增大制造成本。因此，有必要對活塞進行輕量化設計。

目前國內外學者對輕量化設計主要采用兩種方式，一種是根據疲勞強度理論進行結構優化設計，改善結構，使強度得到提高，從而減少材料使用，減輕質量［2］；另一種則是通過材料替換，應用高性能材料來減輕質量［3］。

本文以某發動機活塞為研究對象，首先建立活塞的三維模型，然后進行材料替換，在此基礎上利用有限元分析方法分別對兩種材料活塞的強度、剛度特性進行分析，之后進行拓撲優化［4］，最后根據有限元分析結果、拓撲優化結果進行結構優化設計，并在滿足力學性能要求的基礎上，對優化后活塞模型的強度、剛度特性進行有限元分析，通過與優化前的結果進行對比，驗證輕量化設計的有效性。

1 模型的建立

活塞大致可分為活塞、連桿、活塞銷3部分，如圖1所示。

由于活塞銷主要起到連接連桿與活塞的作用，結構也較為規范，因此，能夠進行輕量化設計的主要是活塞部分［5-6］。活塞主要由活塞頂部、活塞裙部及銷孔組成，而只有活塞裙邊的內側部分，可進行結構優化。因此用SolidWorks三維軟件建立活塞三維模型，如圖2所示。

2 輕量化材料

基于材料替換與有限元分析的輕量化設計過程如圖3所示。在建完三維模型后，需要進行材料替換，優化前活塞使用的材料是1015鋁合金，對其進行輕量化設計時需要在滿足強度要求的同時選用更加輕質的材料進行替換。7075 鋁合金具有強度高、韌性好、密度低等優點，普遍應用于航空航天、軍工等領域，是較為合適的活塞輕量化材料［7］。因此，本文選擇7075鋁合金進行材料替換。1015 鋁合金與7075 鋁合金的材料特性如表1所示。

3 有限元分析

3.1 創建模型載荷工況

將三維模型輸入到Altair Inspire，對原始幾何模型添加約束以及外部載荷條件，如圖4所示。1）中間兩處圓孔位置添加固定約束；2）垂直于活塞上表面施加10MPa的壓力；3）活塞側面施加5MPa的壓力。

3.2 結果分析

對活塞有限元模型設置相應的約束和載荷后，分別對兩種材料進行靜力學分析，計算應力、安全系數與最大位移。

1）1015鋁合金

如圖5所示為采用1015鋁合金的活塞有限元分析結果。從圖中可以看出，最大應力為50.77 MPa，出現在活塞銷孔正上方內側部位。這是由于在工作時，頂部受到燃燒室氣體燃燒做功而產生的較大壓力，同時受到連桿與活塞銷的阻力，在銷孔正上方處產生了較大的壓應力。與此同時，活塞的最小安全系數為5.6，最大形變為0.006 2mm。

2）7075鋁合金

如圖6所示為采用7075鋁合金的活塞有限元分析結果。材料改變時，最大應力變化不大，為50.42 MPa，依然集中在活塞銷孔正上方內側部位。但由于7075鋁合金較1015鋁合金有更高的屈服應力及較小的彈性模量，因此經過材料替換后，活塞的最小安全系數提高至8.2，最大形變增大至0.016 7mm。

3.3 對比分析

由圖5、圖6可知，初始活塞變形最大的部位出現在活塞頂的邊緣部分，主要是由于這個部位處于邊緣而支撐中間，受到的支撐力較小，但由于1015鋁合金于本身彈性模量較大，所以整體形變量并不大。初始活塞最大應力為50.77MPa，遠小于1015鋁合金的屈服極限，所以模型的剛度是符合要求的。材料替換后，新活塞與原活塞相比應力相差不大，并且由于7075 鋁合金的屈服極限要高于1015鋁合金，所以活塞強度符合要求，同時安全系數也明顯增大。但最大應力降低仍不明顯，因此還需要對活塞進行結構優化設計，從結構上使活塞強度增加。

4 拓撲優化分析

4.1 指定設計空間

在Altair Inspire拓撲優化中，指定活塞裙部為設計空間，如圖7所示。被指定的設計空間在優化算法下，根據設定的條件最大可能地剔除多余的材料，直至最終形狀成型為止，優化后的結構形式具有良好的受力特性和良好的制造工藝性［8］。

考慮到在實際工作時，活塞頂部起著傳熱、環槽與活塞桿配合以及密封的作用，活塞裙部起著導向作用，須保證活塞銷孔對稱面上的裙部高度不變［9］，因此活塞裙部、銷孔為設計空間，活塞頂為非設計空間。

4.2 優化參數設定

鑒于活塞惡劣的工況以及前文活塞件的靜力學分析結果，可知活塞要有足夠的強度和剛度，才能保證發動機運轉平穩和持久耐用。因此，在Altair Inspire軟件中，將最大化剛度設置為優化目標并勾選保持形狀平滑以使優化結果連續［10］。結合原始結構和工藝性考慮，本文采用的質量目標范圍為30%～40%。

4.3 拓撲優化結果

根據圖8所示的拓撲結果，發現活塞設計區域的材料分布沿活塞銷孔中央向兩側遞減，在活塞銷孔附近基本沒有材料的去除，這是由于活塞在工況中承受極大的垂向載荷，垂向載荷對結構中間部分有較大影響，而對遠離中間部分及末端影響有限。對于活塞的工況來說，主要是把活塞銷孔以及活塞缸壁支撐的材料保留住，從而降低材料的質量，但需要特別注意的是支撐的厚度不能過薄，否則在實際使用中會承受不住一定的載荷壓力。

4.4 結構重構

根據圖5、圖6的分析結果以及圖8的拓撲優化結果得出以下優化方案：

1）應力主要集中在孔上方形狀突變的位置，因此將活塞裙部兩邊凹下去的面拉伸3mm使其與里面持平，并且把銷孔也延長3mm使其剛好與活塞裙配合的同時也增加支撐的受力面積；

2）為了控制質量的增加，結合拓撲優化結果，在避開受力集中點、不影響強度的同時，發現在活塞裙部與活塞頂部接觸部分的面積可以適當地減少。因此在活塞裙的上方打半徑為5mm、深度為13mm的7個小孔并進行圓角處理，避免應力集中，在減少質量的同時增強結構的承受能力。

采用SolidWorks對模型進行結構優化，優化后的新活塞模型如圖9所示。雖然活塞裙部形狀突變處增加了材料，但與在活塞裙上面打了小孔后減少的材料差不多，并且由于鋁合金的密度小，改進后的活塞質量為0.531 kg，與初始活塞的1.51 kg 相比，質量仍然減少了64%。

5 強度校核

將結構優化后的活塞模型再次輸入到Altair Inspire，使其與原活塞模型受力情況一致，對其進行靜力學分析，結果如圖10、表2所示。從圖10與表2可知，在原模型上進行材料替換與結構優化具有一定效果，經過優化后，最大應力為44.67 MPa，相較于初始活塞最大應力減少了12%，且遠小于7075鋁合金的屈服極限；安全系數為9.3，相較于初始活塞提升了3.7；雖然最大形變位移增加了0.009mm，但是對活塞的工作影響微乎其微，可以忽略不計。

6 結語

本文通過材料替換與結構優化的方式實現了發動機活塞的輕量化設計，使活塞質量減輕了64%。有限元分析仿真結果表明： 經過優化，活塞的最大應力降至44.67 MPa，減少了12%；最小安全系數為9.3，安全系數提升了3.7。由此可見，采用材料替換和結構優化相結合的方法，可有效實現輕量化設計。