不同金相等级活塞的有限元分析＊

刘延栋 刘世英 苏茂蔚 张毅 孙树森

（山东理工大学，淄博 255049）

不同金相等级活塞的有限元分析＊

刘延栋 刘世英 苏茂蔚 张毅 孙树森

（山东理工大学，淄博 255049）

活塞材料的微观金相结构对活塞工作性能具有重大影响。通过试验检测不同金相等级活塞的物理及机械性能，并采用有限元软件ANSYS对不同活塞的温度场、热应力场、热机耦合场进行模拟分析，研究活塞金相差异对活塞热负荷和热机负荷的影响。结果表明，随着微观金相等级的降低，活塞最高温度、最大热机耦合应力和最大变形量均呈现增大趋势，活塞最大许用应力呈现减小趋势，活塞可靠性呈现下降趋势。

1 前言

能，并运用ANSYS软件对不同金相等级的活塞进行温度场和热机耦合场的仿真分析。

活塞作为发动机的核心部件，直接承受着热机负荷的交替作用，因此活塞材料的承载能力要求较高。过共晶活塞材料是一种高性能的活塞材料，但是在活塞铸造过程中会产生不同的金相组织，而微观金相组织的差异对活塞工作性能产生较大影响。赵士博等人[1]通过改善热处理工艺，提高了活塞强度，获得了综合性能较好的过共晶铝合金活塞材料。温剑武[2]采用ANSYS有限元分析软件，对活塞火力岸金相变化问题进行了仿真模拟，并比较了金相变化前后的活塞强度。

本文对某过共晶硅铝合金活塞进行分级，对1～4级合格产品进行组织取样，测试其热物理性能和机械性

2 活塞微观金相组织及性能测试

根据初晶硅和共晶硅的尺寸大小、形态和分布的均匀程度对活塞铸造铝合金进行分级，根据金相显微镜下放大100倍后的1～6级活塞金相图谱可知，1～4级合金为合格产品。

为了进一步研究金相等级与合金性能的关系，对1～4级合金在不同环境温度下的物理性能和机械性能进行测试，主要包括弹性模量、线膨胀系数、热导率、屈服极限和强度极限。结果表明，热导率、弹性模量、屈服强度、极限强度随金相等级降低而减小，线膨胀系数随金相等级降低而增大（见图1）。

图1 1～4级金相活塞线膨胀系数随温度变化曲线

由图2可知，在20～300℃范围内，各级合金的线膨胀系数随温度的升高而增大；同一温度下，线膨胀系数随着金相等级的降低而增大。这是由于随着金相等级的降低，共晶硅的尺寸由短针状和细点状逐渐转变为长针状，其对基体的割裂程度增加[3]，受热后极易发生局部膨胀，从而增大了合金的线膨胀系数。

1～4级金相活塞的热导率如图2所示。同一金相等级下，热导率随温度的升高而增大；同一温度下热导率随金相等级降低而减小。这是由于粗大的初晶硅和长条状的共晶硅导热差，会对基体的热流传导产生阻隔作用，导致金相等级较低的活塞导热性能变差。

图2 1～4级金相活塞热导率随温度变化曲线

3 活塞有限元模型建立

3.1 活塞物理模型

由于冷却油腔的存在使活塞结构不具有对称性，因此采用UG软件按照活塞结构建立几何模型，对部分结构倒角和过渡圆角进行适当简化，运用Hyper mesh软件对模型进行四面体网格划分，共获得活塞网格单元181 457个，节点71 569个。

3.2 活塞热边界条件

温度场有限元分析以第三类边界条件作为活塞热边界。燃烧室内燃烧传热过程极为复杂，边界条件也最难确定，因此通过采用GT-Power软件对发动机各部件设置具体参数，建立整机模型，计算在标准工况下发动机各缸内温度和换热系数随曲轴转角的变化情况。GT-Power所建立的模型主要包括进/排气系统、燃油供给系统、热传导模型、燃烧模型等。气缸内的几何模型参照发动机参数进行设置，传热模型采用Woschni传热模型，燃烧模型采用Wiebe燃烧模型。表1为该发动机的主要参数。图3为2号气缸活塞顶面边界条件变化曲线。

表1 发动机主要参数

图3 2号气缸活塞顶面边界条件变化曲线

由软件计算输出各缸的顶面瞬时温度Tg和瞬时换热系数αg，可获得活塞顶面燃气平均温度Tgm和平均换热系数agm：

式中，φ为发动机曲轴转角。

活塞其它区域边界条件采用文献[5]中经验公式结合以往经验值获得。活塞主要边界条件见表2。

3.3 活塞机械载荷施加

发动机在实际工作过程中要受到高温燃气压力及惯性力的作用，因此机械载荷包括燃气压力载荷和因惯性而产生的惯性力载荷。为了避免对活塞约束过多带来的计算误差，在原来模型的基础上增加活塞销和连杆模型，对连杆下端进行固定约束以达到平衡受力。

图4为活塞燃气压力和惯性力具体加载情况。发动机在额定工况下的最大爆发压力Pmax为20 MPa，燃烧室底面、活塞顶面、火力岸和第1环槽根部承受最大爆发压力，其它表面的气体压力载荷由于节流作用而依次递减。活塞惯性力方向与活塞运动方向相反，可由动力学公式[4]求得。

表2 活塞第三类热边界条件设置

图4 活塞机械载荷加载示意

4 活塞温度测试与温度场模拟结果及分析

4.1 活塞温度测试试验

活塞温度测试采用硬度塞法，在活塞表面共选取8个测点，其分布见图5。在各测点钻孔并装入硬度塞，随后将活塞装入发动机磨合30 min，然后在标定工况下运行2 h，停机后取出硬度塞，用电子显微硬度计测试其硬度，根据硬度值计算测点最高温度值。

图5 活塞各测点位置的布置

表3为第3级金相活塞的测试值与模拟值对比。8个测点误差范围都在5%以下，说明模拟所获得的温度场与实际活塞温度场符合良好，所设定热边界条件可以用于温度场的模拟分析。

表3 温度场测试值与模拟值对比 ℃

4.2 温度场结果分析

图6为1～4级金相活塞温度场分布云图。可以看出，1～4级金相活塞的整体温度场差别不大，1级与4级之间温差约5℃，最高温度都出现在活塞燃烧室喉口位置，整体温度沿活塞轴线方向逐渐降低，最低温度都出现在裙部位置。活塞燃烧室内温度梯度变化较为明显。随着金相等级降低，活塞表面最高温度依次递增，原因是活塞热导率随金相等级降低而减小，热导率越低热流传递越缓慢，在活塞内部积留时间则越长，导致热流密度增大，容易发生高温。第4级金相活塞在第1环槽处的温度平均为223℃，低于危险温度240℃，当润滑油处于240℃或更高温度下容易结焦[5]，导致润滑恶化。

图6 1～4级金相活塞的温度场分布云图

第3级金相活塞热流密度分布云图见图7。可知，活塞热流密度在第1环槽、燃烧室壁面和内冷油腔壁面分布较高。第1环槽传递的热流量占总热流量的25%～30%，由燃烧室壁面到活塞环槽沿活塞径向方向的热流传导反映了该传递过程。内冷油腔在冷却油的强制对流换热作用下，分担了来自活塞燃烧室及顶面的热流量，对活塞头部起到了良好的冷却作用。

图7 第3级金相活塞热流密度分布云图

4.3 热应力结果分析

第3级金相活塞基于第四强度理论的热应力分布如图8所示。最大应力值出现在冷却油腔与喷油道接合处，达到70 MPa，这是由该处的结构尖角使局部应力过大导致的。第1环岸的应力值较大，为48 MPa。第2环槽处的热应力达到54 MPa，这是因为内冷油腔距离第2环槽位置较近，其表面换热系数较大，导致环槽局部温度梯度变化明显，产生热应力集中。活塞燃烧室喉口热应力沿周向变化比较明显，在沿活塞销轴向方向的应力值最大，这是由活塞沿周向的温度分布不均引起的。喉口处热应力最大值达到42.9 MPa，低于材料许用应力值。若此处热应力值过大，容易导致活塞喉口沿活塞销轴线方向开裂的现象[6]。

图8 第3级金相活塞热应力分布云图

活塞各位置最大热应力随金相等级变化见图9。活塞在4个位置的热应力最大值都随金相等级的降低而增大。原因是随着金相等级的降低，初晶硅尺寸增大，而初晶硅与基体组织的热膨胀系数差别较大，大块且并不均匀的初晶硅容易产生较大的内部应力。

图9 最大热应力随金相等级变化曲线

4.4 热变形结果分析

图10所示为3级金相活塞整体的热变形云图。可知，热变形由活塞顶部沿轴线向下呈下降趋势，最大热变形位置出现在活塞顶面外缘，最大值为0.486 mm。裙部的最小变形为0.11 mm，燃烧室其它部位的变形量也较大，为0.38～0.41 mm。

图10 第3级金相活塞热变形分布云图

表4所示为1～4级金相活塞顶面外缘处的最大热变形，最大热变形随金相等级降低呈增大趋势。原因是由于活塞顶面处的温度随金相等级降低而升高，而活塞线膨胀系数也随金相等级的降低而增大。

表4 1～4级金相活塞顶面外缘最大热变形量 mm

5 活塞热机耦合场模拟结果及分析

5.1 热机耦合应力结果分析

图11为第3级金相活塞热机耦合应力场。最大耦合应力值为169 MPa，出现在销座内侧正上方的两侧，此处主要受机械负荷的影响[7]；最小值出现在活塞裙部。

图11 第3级金相活塞热机耦合应力分布

活塞燃烧室喉口和活塞第2环槽处的耦合应力分别达到52.8 MPa和91.2 MPa，喉口处的最大耦合应力与热应力位置基本一致，耦合应力值比热应力值增加10 MPa，说明此处耦合应力值受热负荷的影响比重较大[8]；第2环槽位置由于节流作用所受燃气压力较小，该处产生较高的耦合应力也是受热负荷的影响。

图12为1～4级金相活塞在3处不同位置的热机耦合应力和最大许用应力变化曲线。第1级金相活塞在销座处的最大耦合应力值为165.2 MPa，第4级达到171.4 MPa，最大耦合应力随金相等级的降低而增大。其主要是因为金相中初晶硅的尺寸越大，材料弹性模量越低，活塞整体刚度越大，导致活塞销座处接触应力随金相等级降低而增大。第2环槽处和喉口位置的耦合应力随金相等级下降稍有提高，总体变化值不大，最大值分别为91.4 MPa和53.1 MPa，两处受热负荷影响程度较大。3个位置的最大许用应力随金相等级降低均呈现减小趋势，但均高于最大耦合应力，两者差值随金相等级降低而减小，因此活塞金相等级越高，其可靠性越强。

图12 活塞各位置最大耦合应力与最大许用应力曲线

5.2 热机耦合变形结果分析

活塞在顶部外缘、第1环岸、裙部底端3个位置最大耦合变形随金相等级变化曲线如图13所示。由于活塞顶部外缘和第1环岸处主要受到热负荷的影响，耦合变形量很大程度上来自于热变形，与热变形随金相的变化一致。活塞裙部底端的变形量主要受到机械负荷的影响，此处变形量随金相等级的降低稍有下降。由于随着金相等级的下降，活塞整体弹性下降，整体刚度逐渐增强，裙部抗挤压变形能力增强，因此变形量呈现递减趋势。

图13 活塞各位置最大耦合变形随金相等级变化

6 结束语

a.热导率、弹性模量、屈服强度、极限强度随金相等级降低而减小，线膨胀系数则反之。

b.1～4级金相活塞温度场分布比较均匀，最高温度都出现在喉口位置，且随金相等级降低而升高，1级和4级最高温度差约5℃。活塞热应力较大区域主要分布在燃烧室喉口、第1环岸、第2环槽及内腔顶部，各处应力值都随金相等级降低而增大。最大热变形量出现在活塞顶部外缘，且随金相等级降低而增大。

c.最大热机耦合应力出现在活塞销座内侧正上方的两侧位置。喉口和第2环槽处的耦合应力主要受热负荷影响，最大值为50 MPa和90 MPa，活塞销座处的热机耦合应力随金相等级的下降明显增大，喉口和第2环槽处的应力值随金相等级降低略有升高。3个位置的许用应力值随金相等级降低而减小，最大耦合应力均未超过最大许用应力，活塞金相等级越高其可靠性能越强。

1 赵士博,冯增建.高性能汽车发动机活塞材料与热处理工艺的研究.汽车技术,2001（10）:30～32.

2 温剑武.对柴油机活塞金相变化问题仿真分析:[学位论文].太原：中北大学,2012.

3 吴玉露.过共晶Al-28wt.%Si活塞合金的研究:[学位论文].重庆：重庆大学,2010.

4 张俊红,何振鹏,张桂昌,等.柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究.内燃机学报,2011（1）:78～83.

5 杨睿,杜斌,张志凌,等.润滑油结焦行为的试验室评价.石油学报(石油加工),2013（5）:813～817.

6 刘世英,丁国栋,王志明.提高活塞燃烧室抗疲劳开裂性能的新途径.汽车技术,2006（8）:14～17.

7 祖炳锋,方强,刘捷,等.基于热机耦合的国Ⅴ柴油机活塞强度及变形数值分析.内燃机工程,2014（1）:99～104.

8 宁海强,孙平,梅德清,等.高速柴油机活塞温度场试验与热力耦合仿真.内燃机工程,2014（1）:105～109.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2016年10月1日。

Finite Element Analysis of Pistons of Different Metallographic Grades

Liu Yandong,Liu Shiying,Su Maowei,Zhang Yi,Sun Shusen
（Shandong University of Technology,Zibo 255049）

The micro-metallographic structure of piston material has great impact on the performance of piston.The physical and mechanical properties of pistons of different metallographic grades were tested by experiments,and finite element analysis software ANSYS was used in the simulation of temperature field,thermal stress field,thermal-mechanical coupled field of different pistons.The impact of the different metallography on the thermal load and thermal-mechanical coupled load of the pistons was studied.The results showed that with the decline of the micro-metallographic grade,the maximum temperature and the maximum thermal-mechanical coupled stress and the maximum deformation of pistons showed an increasing trend,whereas the maximum allowable stress and the reliability of pistons showed a decreasing trend.

Piston,Metallographic grade,Finite element

活塞 金相等级 有限元

U464.133+.1

A

1000-3703（2017）04-0053-05

山东省自然科学基金（ZR2010EM070）。