基于ANSYS内燃机活塞载荷优化研究

涂盼盼，何毅斌，高帅，胡高瑞，赵德顺，甘沐阳

基于ANSYS内燃机活塞载荷优化研究

涂盼盼，何毅斌*，高帅，胡高瑞，赵德顺，甘沐阳

（武汉工程大学 机电工程学院，湖北 武汉 430073）

针对内燃机正常工况下活塞所受应力远小于材料抗拉强度、使得内燃机输出功率并非最高的问题，提出内燃机活塞载荷优化方案。首先通过Pro/E三维建模软件对内燃机活塞进行简化建模，然后通过有限元分析方法模拟在最苛刻工作位置处工况下活塞整体的受力图、安全系数图，以此来判断活塞的强度是否处于安全环境，并且通过多次改变载荷获得模拟实验数据、安全系数变化趋势图和最大等效应力图，最后分析得出内燃机活塞在安全环境下的所能承受最大载荷。研究结果表明，通过比较模拟实验数据优化后载荷1.5 MPa比传统载荷0.75 MPa下的内燃机拥有更高输出功率，内燃机可以得到更充分利用。

内燃机；活塞；载荷；ANSYS

活塞式内燃机具有效率高、体积小、质量轻和功率大等优点，广泛用作汽车动力元件。活塞是内燃机主要构件之一，其工作状况直接关系到整个内燃机工作效率[1-2]。研究表明传统内燃机正常工况下活塞所受载荷并非安全工作环境下的最大载荷，使得内燃机未得到充分利用，造成一定资源的浪费。

本文通过对活塞顶部施加工作载荷，利用有限元方法进行强度校核研究，并得出其整体应力图和安全系数图，从而判断活塞是否处于正常工作情况，最终通过对活塞所加载荷的改变得到模拟数据，并作出了安全系数趋势图，以此来优化活塞所受载荷，从而保障内燃机有更高的工作效率。

1 活塞模型的简化建模

活塞主要由顶部、头部和裙部三部分[3]构成。本研究在材料不变的条件下，通过优化活塞所受载荷来提高内燃机输出功率，让内燃机使用更加充分。在分析过程中，为了减少建模、划分网格的工作量，对内燃机活塞的模型进行简化，如简化对计算结果没有影响的倒角、螺纹孔等要素[4-5]。内燃机活塞的材料常数如表1所示，活塞简化几何模型如图1所示。对内燃机活塞模型进行网格划分，划分为22930个节点、12273个单元，其有限元模型如图2所示。

内燃机活塞的材料为LD2，查资料可知其材料常数如表1所示。

表1 材料常数

2 活塞工况分析计算

查阅相关资料得知正常工作条件下活塞承受汽缸中的燃烧压力[6-7]，并将此力通过活塞梢和连杆传给曲轴，所以在模拟实验中，如图3所示，内燃机活塞所受载荷在处为，约束施加位置为及其中轴线对称位置，处是内燃机内的无固定支撑。

如图4所示，活塞工件所受最大应力为53.682 MPa，最小安全系数为4.657。由于此最大应力未达到锻铝合金LD2的屈服极限，所以在此工况下结构安全，但材料未能充分利用[8]。

如图5所示，安全系数最小为4.657，安全系数大于2工件即处于相对安全的工作环境，所以本文通过优化载荷来使内燃机利用更充分。

图1 活塞简化几何模型

图2 整体有限元模型

图3 内燃机活塞的载荷及约束有限元模型

图4 整体应力分布云图

图5 安全系数图

3 内燃机活塞的有限元优化分析

3.1 内燃机活塞的有限元优化分析实验研究

该内燃机活塞在正常工作条件下安全，通过对活塞材料的可利用研究，将载荷3作为设计参数、以最小安全系数1和最大等效应力2为目标进行优化分析。表2为内燃机活塞的模拟实验数据。

表2 内燃机活塞的模拟实验实验数据

3.2 实验结果分析

由图6和图7可以得出：最小安全系数与载荷呈非线性关系，最大等效应力与载荷呈线性关系。传统工况下载荷0.75 MPa的最小安全系数为4.657，当载荷在（0.5, 1.5）时最小安全系数的变化较大、在（1.5, 3）时变化率较小。为提高材料的使用率可将内燃机功率增大，使载荷最大增至1.5 MPa，则安全系数为2.1，此工况下也是安全的，但功率提高了近一倍。优化前后的数据比较如表3所示。

表3 优化前后数据比较

4 结论

针对内燃机活塞的使用率，将活塞所受载荷设为参数变量，通过改变载荷大小得到内燃机活塞的最小安全系数变化趋势图和最大等效应力图，从而推导出优化后的载荷为1.5 MPa。通过对内燃机活塞载荷的优化，使内燃机功率提高近一倍。研究结果表明，在内燃机活塞材料不变的前提下，通过优化载荷大小，可以提高内燃机功率、提高内燃机活塞利用率。

图6 安全系数变化趋势图

图7 最大等效应力图

[1]袁鹏，高晟耀. 对置式凸轮发动机活塞热分析[J]. 鱼雷技术，2009（2）：49-52.

[2]张继春，李兴虎，马凡华.CA488活塞的强度分析及结构改进[J]. 机械强度，2007（3）：501-506

[3]刘阳，蔡鹏. 某重型车辆平衡轴结构强度有限元分析[J]. 机电工程与经济发展，2017（15）：226

[4]王骏. 液压湿式离合器活塞零件的结构优化设计[J]. 锻压装备与制造技术，2013（6）：51-53

[5]苗伟驰. 活塞结构强度有限元分析[D]. 济南：山东大学，2012.

[6]任晓东，董小瑞，马浩，李悦. 基于近似模型的活塞抗疲劳优化分析设计[J]. 中北大学学报，2017（3）：339-444.

[7]张军挪，化斌，康小勇，孙也尊. 多学科优化技术在转管机枪活塞结构改进设计中的应用研究[J]. 机械，2015（12）：1-4.

[8]黄成，卢润生，张仁杰，杜佳玲，刘师良，赵佳峰，宋杰. 利用工业余热的自由活塞式斯特林发电机装置设计[J]. 机械，2017（11）：51-53.

[9]宗明景，董非，朱楠林. 内冷油道位置对柴油机活塞温度场的影响研究[J]. 机电工程，2017（12）：1422-1426.

Based on ANSYS Internal Combustion Engine Piston Load Optimization Study

TU Panpan，HE Yibin，GAO Shuai，HU Gaorui，ZHAO Deshun，GAN Muyang

( School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China)

In view of the internal combustion engine piston stress under normal working condition of the piston suffered far less than the tensile strength of piston material, makes the internal combustion engine power output is not an issue of supreme, internal combustion engine piston load optimization scheme is put forward. First through Pro/E 3d modeling software to simplify the modeling, the internal combustion engine piston and then simulated by the method of finite element analysis under the most demanding work location conditions piston by trying to whole, piston figure overall safety coefficient, in order to determine whether the strength of the piston in the security environment, and changing load simulation data obtained by several times, the safety coefficient change trend diagram and the maximum effect to, such as the final figure from safety coefficient analysis of internal combustion engine piston in a safe environment can withstand maximum load. The results show that the internal combustion engine can be more fully utilized by comparing the simulated experimental data with a higher output power of 1.7 MPa than the traditional one under 1 MPa.

internal combustion engine；piston；load；ANSYS

U262.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.016

1006－0316 (2018) 12－0056－03

2018－01－18

武汉工程大学第九届研究生教育创新基金项目（CX2017026）

涂盼盼（1994－），男，湖北安陆人，硕士研究生，主要研究方向为机械设计优化和有限元分析。

何毅斌（1966－），男，湖北武汉人，博士（后），教授、硕士生导师，主要研究方向为机械零件故障诊断分析研究、机械设计仿真优化分析。