柴油發(fā)動機活塞靜強度分析

馬斌　邵微　陳秉智

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結構參數在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結果的可靠性.

4 結束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內機油對活塞各部分應力的影響，結果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結果可信度.

參考文獻：

[1] 吳伋. 6S50MC-C柴油機活塞頭的強度分析[D]. 大連： 大連海事大學， 2010.

[2] 劉波. 軌道交通車輛座椅的靜強度和疲勞強度分析[D]. 長春： 吉林大學， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑靜， 彭旭陽. 基于有限元法的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J]. 重慶大學學報， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吳建華， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空壓機活塞桿斷裂原因的力學分析[J]. 流體機械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 鐘功祥， 張?zhí)旖颍?呂治忠， 等. 鉆井泵活塞動態(tài)分析[J]. 石油礦場機械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 馬欣， 桑東恒， 劉清友. 天然氣站往復式壓縮機活塞失效分析[J]. 管道技術與設備， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭學院. 跨臨界CO2活塞壓縮機活塞的有限元應力及疲勞分析[J]. 流體機械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結構參數在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結果的可靠性.

4 結束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內機油對活塞各部分應力的影響，結果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結果可信度.

參考文獻：

[1] 吳伋. 6S50MC-C柴油機活塞頭的強度分析[D]. 大連： 大連海事大學， 2010.

[2] 劉波. 軌道交通車輛座椅的靜強度和疲勞強度分析[D]. 長春： 吉林大學， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑靜， 彭旭陽. 基于有限元法的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J]. 重慶大學學報， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吳建華， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空壓機活塞桿斷裂原因的力學分析[J]. 流體機械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 鐘功祥， 張?zhí)旖颍?呂治忠， 等. 鉆井泵活塞動態(tài)分析[J]. 石油礦場機械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 馬欣， 桑東恒， 劉清友. 天然氣站往復式壓縮機活塞失效分析[J]. 管道技術與設備， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭學院. 跨臨界CO2活塞壓縮機活塞的有限元應力及疲勞分析[J]. 流體機械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結構參數在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結果的可靠性.

4 結束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內機油對活塞各部分應力的影響，結果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結果可信度.

參考文獻：

[1] 吳伋. 6S50MC-C柴油機活塞頭的強度分析[D]. 大連： 大連海事大學， 2010.

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[3] 徐中明， 牟笑靜， 彭旭陽. 基于有限元法的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J]. 重慶大學學報， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

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[5] 余小玲， 吳建華， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空壓機活塞桿斷裂原因的力學分析[J]. 流體機械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 鐘功祥， 張?zhí)旖颍?呂治忠， 等. 鉆井泵活塞動態(tài)分析[J]. 石油礦場機械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 馬欣， 桑東恒， 劉清友. 天然氣站往復式壓縮機活塞失效分析[J]. 管道技術與設備， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭學院. 跨臨界CO2活塞壓縮機活塞的有限元應力及疲勞分析[J]. 流體機械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）