有限元分析方法在活塞研究中的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

羅哲

摘要：柴油機活塞作為影響柴油機性能的重要零部件之一，一直以來都是專家學者的研究重點，隨著計算機技術的發(fā)展，有限元分析方法得到廣泛應用，本文主要圍繞有限元分析方法在活塞研究上的應用情況展開討論。詳述了有限元方法在活塞研究上的國內外現(xiàn)狀，并概括了有限元分析方法開展活塞研究的實施步驟等，指明了現(xiàn)行研究方法中的不足，為進一步加強有限元分析方法在活塞上的研究應用提供了借鑒。

關鍵詞：柴油機;活塞機構;有限元分析

0 ?引言

柴油機是目前國內外廣泛使用的動力設備之一，在生產(chǎn)、生活各方面都起著十分重要的作用，但由于近年以來，國際競爭的加劇以及國際環(huán)境的惡化，由此對于柴油機的各方面性能提出了新的要求和指標?；钊鳛椴裼蜋C上工作條件最為惡劣的零部件之一，是影響柴油機整機性能的重點所在，于是便出現(xiàn)了圍繞活塞的性能而展開的一系列研究。隨著近代以來，電子計算機技術的迅猛發(fā)展，運用計算機分析軟件對于機械零部件進行分析運算，已經(jīng)趨于成熟，并且應用廣泛，現(xiàn)已深入到分析各類機械的零部件[1]。運用大型的有限元分析軟件，就機械負載、熱能負荷、溫度場等綜合作用下活塞的應變情況，以及燃燒室的不同類型和位置對活塞性能的影響等進行分析，然后利用計算結果改善活塞的結構設計，進而研制結構合理、性能優(yōu)良的活塞，業(yè)已成為現(xiàn)今國內外研究活塞的主要方向。

目前國內關于柴油機活塞方面的研究還處于初步探索階段，而國外對于活塞方面的研究則較為成熟，而且許多研究技術和研究專利都被國外壟斷，因此，就活塞的各方面性能進行有限元分析，對于完善我國柴油機發(fā)展領域、提高我國柴油機設計研發(fā)水平和打破國外在柴油機活塞技術上的壟斷地位具有十分重要的作用和意義。

本文就目前關于柴油機活塞在有限分析方面所取得的一些成果和存在的一些缺陷進行對比分析，旨在探索出一條更為有效的分析活塞的研究道路，從而進一步拓寬活塞的各方面性能研究，彌補活塞研究現(xiàn)狀中的不足。

1 ?活塞的研究現(xiàn)狀

在柴油機運轉過程中，活塞長期承受著周期交變的機械負荷和熱負荷的作用，因此，活塞是柴油機零部件中最易出現(xiàn)故障的零部件之一?；钊麑Σ裼蜋C的使用壽命、動力性能、穩(wěn)定程度、經(jīng)濟狀況等都起著舉足輕重的作用。

目前國外對于柴油機活塞的研究較為完備，研究情況可以追溯到幾十年前，如美國、德國、日本等都在活塞方面進行了深入而細致的研究，先后研制出了滿足不同用途的多種柴油機活塞，使得活塞的結構也發(fā)生了巨大變化。八十年代，德國道依茨公司針對活塞運動過程的噪音和提高效率等因素，通過合理設計活塞頂部的燃燒室，從而改善了活塞在運動過程中的噪音情況，并且有效的提高柴油機的效率。另外，美國NTA-cumnins、德國Arlschmi-dt、意大利NOVA等公司根據(jù)研究實驗而設計出耐高溫、體積穩(wěn)定性好、使用壽命高的柴油機活塞。

隨著活塞工作要求的不斷提高，與之相適應的活塞設計技術也不斷發(fā)展，并出現(xiàn)了許多新的方向，其中最為重要的發(fā)展方向便是基于有限元方法的分析應用技術。相比傳統(tǒng)活塞設計成本高、周期長、數(shù)據(jù)有限、測試結果受相關條件的影響以至難以達到滿意的設計效果等問題，有限元分析方法則有效的解決了這諸多困難。通過有限元技術進行活塞的分析，不僅可以較好的模擬出真實的工作狀況，并且大大縮減了生產(chǎn)、制造、試驗所花費的人力、物力以及時間，其所提供的分析結果可以合理且可靠地指導活塞的進一步設計完善，因此被廣泛應用。

通過對活塞的有限元研究，仿真分析活塞在受熱負荷、機械負荷時，其熱變形與溫度場情況，進而得出活塞在設計方面的缺陷與不足，加以改善。對于有限元方法應用于活塞的研究，國外比國內起步要早，研究成果也更為突出。目前國內基于有限元對活塞的分析研究還處于初始階段，但也取得了一定的成果，如吳喜驪[2]等基于活塞的熱負荷情況，通過熱電偶法測量活塞的溫度，建立有限元模型進行活塞的耦合分析;劉延棟[3]等通過有限元分析活塞材料微觀金相結構對活塞工作性能的影響，這些成果都為活塞的改進提供了參考。

2 ?活塞的有限元研究方法

隨著有限元技術的迅猛發(fā)展，國內外研究學者對活塞進行了一系列的研究，研究領域包括：機械應力、機械應變、熱應力、熱疲勞、溫度場及其他機械強度等，并在此基礎之上開展了沖擊、瞬態(tài)溫度場、潤滑油膜等方面一系列的研究?；钊诶糜邢拊芯康姆较蛏喜粩嗟耐貙?，且研究的深度不斷加強。

有限元分析的主要步驟可以概括為三步：

①建立有限元研究模型;

②確定有限元研究的邊界條件;

③求解有限元分析的結果。

目前國內關于活塞的有限元分析還處于初級探索階段，但已經(jīng)初具規(guī)模，且大部分的研究方法和研究方向都趨近于相似，大部分的研究方法都缺少一定的驗證性試驗。通過比對數(shù)十篇有限元軟件在活塞中的應用實例之后，可將其分析方法大致分為兩個方面：

2.1 數(shù)據(jù)——分析——結果

該類方法是利用試驗所得數(shù)據(jù)和柴油機標定工況下的基本運行數(shù)據(jù)，與現(xiàn)今較為公認的活塞理論整合之后代入到計算機中進行有限元分析運算，得出運算結果，進而為活塞的性能改善提供依據(jù)。

文獻[4]中，利用基本數(shù)據(jù)并直接采用有限元方法對于某活塞進行溫度分布情況分析，并將結果代入到多體動力學分析模型中，分析活塞的側推力對活塞應力分布產(chǎn)生的影響，計算活塞在熱負荷、機械負荷和熱機負荷耦合作用下活塞的應力和應變情況。該文獻的不足在于對于活塞的溫度載荷邊界條件考慮得不夠全面，且將活塞的溫度視為穩(wěn)定的溫度場，忽略了溫度波動的影響。

文獻[5]中，直接應用有限元分析軟件，建立某內燃機活塞的三維有限元分析模型，利用估算的瞬態(tài)交變熱應力計算了瞬態(tài)過程中和快速冷啟動過程中活塞溫度場和熱應力情況。該文獻的不足在于模型只建立了四分之一的模型，忽略了模型建立的整體性，而對于活塞頂部非穩(wěn)態(tài)熱彈性應力采取了一系列的假設條件，因此，所得結果還具有一定的改善空間。

綜上所述，該種方法的主要不足之處在于只是利用基本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式進行分析，缺少對于經(jīng)驗公式的驗證環(huán)節(jié)，只能為活塞的改善提供一定的借鑒。

2.2 數(shù)據(jù)——分析——比對——校正——結果

該類方法利用基本數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式進行分析，進而得到一系列的計算結果，再與實際應用情況進行對比，反饋計算機更正約束條件，盡量使計算條件與實際情況相符，從而進一步分析，得到分析結果。

文獻[6]中，針對4100QBZ型渦輪增壓柴油機活塞熱負荷高的問題。通過對活塞進行硬度塞測溫法實測了一系列具有特征性的溫度數(shù)據(jù)，然后利用有限元軟件將測得的溫度數(shù)據(jù)代入到計算機中，按照現(xiàn)今較為公認的活塞傳熱邊界條件與實際測量數(shù)值進行綜合，以此作為活塞的約束條件，得到該活塞在標定工況下的溫度場、熱應力場及變形情況，為活塞溫度場有限元分析計算提供了參考。該文獻的不足在于進行三維建模過程中忽略了活塞的某些局部特征如活塞銷座內側的倒角等，而這些倒角對于活塞的性能或許會產(chǎn)生影響，且僅從熱負荷問題進行研究，忽略了其他如機械負荷作用所產(chǎn)生的影響。

文獻[7]中，針對PA6-280柴油機的鋼頂鋁裙組合式活塞的熱負荷問題，進行該型活塞的三維熱分析。利用實驗所測的結果與有限元分析所得的結果進行比較，改善有限元分析中的約束情況，得到與實際測量相吻合的三維溫度場，從而進一步進行有限元計算，得出計算結果。該文獻的不足在于模型中簡化了活塞銷座和加強筋、螺栓，忽略了活塞頂上表面的換熱系數(shù)和溫度的周期性波動等條件。

綜上所述，該種方法的共同缺陷在于運算量大，試驗次數(shù)多，試驗過程繁瑣。優(yōu)點在于能較為準確的得到與實際情況相符合的結果，為活塞機構的合理改善提供了方向。

3 ?活塞研究存在的問題與發(fā)展趨勢

活塞對柴油機的排放性能、工作效率、使用壽命等均有影響，并且在很大程度上決定著整個柴油機的使用性能。目前國內在活塞的研究方法上還存在許多的不足，有待解決的問題較多：

①對于活塞模型的建立需要更加精確化，大部分有限元分析模型的活塞都是或多或少的忽略了一些局部的特征，這些特征或許對于活塞的性能會產(chǎn)生較大影響。

②對于活塞運作過程的邊界條件需要進一步的確切化，有限元分析活塞時所采用的約束條件大多是基于經(jīng)驗公式的基礎之上，要不就是直接利用經(jīng)驗公式，或者就是在試驗的基礎上修正經(jīng)驗公式所得值，而往往忽略完善經(jīng)驗公式的準確性，在研究的過程中應該在經(jīng)驗公式的基礎上，完善經(jīng)驗公式進而得到與真實工作條件相一致的計算公式和理論。

③對于活塞在有限元分析之后的驗證性試驗有待進一步加強，目前大多數(shù)的研究者都是在有限元分析之后給出一系列分析結果為活塞結構性能的提高提供了理論依據(jù)和重要參考，往往缺少一定的實踐環(huán)節(jié)。這是需要著重加強的一點。從理論到實踐再到理論，才是一條完整的科研閉環(huán)。

隨著有限元研究技術的不斷發(fā)展，以及活塞研究的不斷深入，相信在未來這些問題一定都會得到優(yōu)化解決。

參考文獻：

[1]蔡翌輝，劉暢，郭豪杰，溫艷，汪舟，謝樂春.高強度柴油機活塞溫度與應力場有限元分析及其結構改進[J].內燃機工程，2020，41（01）：1-11.

[2]吳喜驪，蔣芳，徐斌.發(fā)動機活塞溫度場試驗與有限元分析[J].現(xiàn)代制造工程，2012（01）：76-78，106.

[3]劉延棟，劉世英，蘇茂蔚，張毅，孫樹森.不同金相等級活塞的有限元分析[J].汽車技術，2017（04）：53-57.

[4]張俊紅，何振鵬，等.柴油機活塞熱負荷和機械負荷耦合研究.內燃機學報[J]，2011，19（1）：18-83.

[5]原彥鵬，等.高強化內燃機活塞瞬態(tài)溫度場分布規(guī)律研究.內燃機工程[J].2015，26（4）：35-38.

[6]雷基林，申立中，等.4100QBZ型增壓柴油機活塞溫度場試驗研究及有限元分析.內燃機學報[J].2007，25（5）：445-450.

[7]馬哲樹，姚壽廣.高強化柴油機組合活塞溫度場的三維數(shù)值模擬.車用發(fā)動機[J].2013，2：20-23.