内燃机活塞结构可靠性数值仿真计算研究现状与展望

何联格，周 蓝，苏建强

（重庆理工大学 a.车辆工程学院；b.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

内燃机是大国重器的核心，高速、高效、高功率密度是其发展的趋势。活塞作为内燃机的关键结构件，把燃料燃烧压力传递给曲轴的同时，将承受缸内燃气燃烧所产生的热载荷及机械载荷（简称热机载荷）的耦合作用，其表面和内部容易出现各种损伤和缺陷，因此其结构可靠性成为制约内燃机整机可靠性的关键。若活塞的结构可靠性得不到精确的预测，将严重制约内燃机的整机使用寿命。目前数值仿真计算方法是当前世界上公认的对活塞结构进行可靠性预测的有效和通用手段，能有效抑制活塞热机疲劳、延长内燃机的使用寿命、提高整机运行平稳性及安全性，其社会和经济效益显著。随着内燃机向高速和高功率密度方向的发展，缸内燃气燃烧所产生的热机载荷成倍增加，客观上对活塞的结构可靠性提出了更高要求和更大挑战，因此现阶段对活塞数值仿真计算呈现出边界条件精准化、计算方法多样化和学科知识交叉化的发展趋势。

本文根据国内外关于内燃机活塞结构可靠性数值仿真计算方法的研究进展分为了5个阶段：对早期活塞进行自编程强度计算分析、结合商用软件的活塞温度场及应力场计算分析、热机载荷耦合作用下活塞应力场计算分析、活塞高周热机疲劳和低周热疲劳以及考虑加工工艺的活塞结构可靠性等数值仿真计算分析方法，并对其发展过程进行详细评述，在此基础上指出了活塞结构可靠性数值仿真计算方法的发展趋势，提出我国自主化活塞结构可靠性数值仿真计算标准的急迫性，以期全面提升我国内燃机整机结构可靠性数值仿真计算水平。

1 自编程数值仿真计算分析

早期由于受到数值仿真计算基础理论和计算机技术的限制，对活塞的结构可靠性分析多采用自己编制算法对一维、二维以及简单的三维问题进行数值仿真计算分析。文献［1］对活塞进行过该类分析，但这些分析方法因过于简单，已不适合现阶段对活塞结构可靠性研究的需要，因此本文不再对其进行赘述。

2 结合商用软件数值仿真计算分析

随着计算机技术的发展，大批有限元商用软件，例如 ANSYS、HYPERMESH、ABAQUS、MCS.PATRAN、MCS.NASTRAN、ADINA等得到了蓬勃发展。在早期结合商用软件对活塞结构可靠性数值仿真计算分析时多采用活塞的1/4或1/2模型作为分析对象，文献［4-5］便是以该方法对活塞结构的可靠性进行了分析。虽然将活塞简化为二维或者三维对称模型进行分析可以很大程度上减少计算量和工作时间，但是对活塞结构局部细节的受力及受热分析仍存在不足，进而导致最后的计算结果与实际差异较大。

近年来，结合商用软件对活塞结构可靠性的数值仿真计算分析方法变得更加完整，主要围绕三维非对称活塞模型在机械载荷作用下的应力场、热载荷作用下的温度场以及热载荷作用下的热应力场进行分析。

2.1 机械载荷与热载荷单独作用下的应力场

活塞应力场包括由缸内燃气燃烧所产生的机械载荷引起的机械应力和热载荷引起的热应力。程文虎［6］在对活塞机械载荷作用下应力场的数值仿真计算研究中，考虑了活塞顶部燃气压力、销座支反力、惯性力以及侧推力对活塞的综合影响后，得出了活塞最大变形位于活塞顶部边缘处以及最大耦合拉应力位于销座下侧与裙部内侧过渡处和底部凸缘处的结论。由于不合理的约束和动态边界条件，不能得到仅由活塞温度分布不均匀引起的热应力，因此Lu Y H等［7］提出了新型的柴油机活塞热应力分析方法，即在得到活塞热机耦合应力场和机械应力场之后，对耦合应力场进行解耦得到热应力场，仿真结果与实验结果吻合。

2.2 热载荷作用下的温度场

在对活塞温度场的研究中，叶晓明等［8］采用有限元法对无冷却喷嘴、1个喷嘴底喷冷却、2个喷嘴底喷冷等3种不同的冷却方式下活塞稳态温度场的分布进行了研究，并得出活塞第一道环槽温度偏高是影响活塞寿命的重要因素。雷基林［9］研究得出，燃烧室形状和燃烧室位置对增压柴油机活塞稳态温度场分布都存在一定的影响。王忠瑜［10］研究了活塞顶部厚度对活塞稳态温度场的影响，研究表明活塞顶部厚度越小，活塞的整体温度越高。Liu Y等［11］在对影响活塞瞬态温度场关键因素的研究中，在实验设计基础上分析了主要边界条件与特征点温度之间的相关性，揭示了相应的数量相关性，瞬态计算方法被证明是科学有效的，为界定边界条件铺平了道路。同时，在对柴油机活塞非稳态温度场研究中［12］，通过周期性瞬态热分析表明，活塞与燃气接触表面是温度波动的主要区域。

在对活塞温度场更深一步的研究中发现，先进冷却技术对活塞温度场分布具有重要影响。Sun W F等［13］的研究结果表明：活塞在无冷却条件下具有比有冷却条件下更高的热负荷和综合应力，且无冷却条件下会导致活塞头部产生更大的热变形，该研究结果也促使研究学者需要对活塞的先进冷却技术进行深入研究。目前活塞主要冷却方式有底部喷油冷却、蛇管冷却、热管冷却和振荡冷却等几种方式，其中振荡冷却是现阶段柴油机的主流冷却方式［14］。针对活塞振荡冷却问题，章健等［15］通过对比活塞温度场数值仿真计算结果和硬度塞试验测试结果表明，对流换热系数预测模型可有效预测活塞内冷油腔的传热系数，能为内冷油腔的设计提供一定的理论依据。Yong Y等［16］利用数值仿真计算与实验测试相结合的方法验证了活塞内冷油腔的振荡传热数值模型的准确性。张卫正等［17］研究发现，随着发动机转速的提高，活塞内冷油腔的机油填充率下降，但是壁面换热系数却有所提高；同时，机油的振荡冲击对内冷油腔顶部和底部的强化换热明显高于侧壁。Zhu N L等［18］对内燃机活塞内冷油道振荡冷却特性进行了仿真研究，研究表明：油道壁的平均温度随着冷却油道高度的增加而降低；在降低活塞平均温度时，注油率的贡献大于油道结构。

冷却油腔的位置和形状同样对活塞振荡冷却有一定的影响。宗明景等［19］的研究结果表明：活塞冷却油腔轴向上移，活塞顶部和第一环槽温度能得到有效降低。Liu J X等［20］的研究结果表明：冷却通道的轴向位置对活塞温度有明显影响，冷却通道的径向位置对活塞的热应力影响很大。雷基林等［21］研究结果表明：内冷油腔靠近活塞顶面和环槽底面时，能显著降低活塞最高温度及第一环槽温度；但内冷油腔过于靠近活塞壁面时，活塞第三环槽及内腔顶面区域会出现较大的局部热应力。李闯等［22］在对活塞冷却油腔形状的研究中，采用正交实验法对设计的9种不同形状的油腔进行了试验，结果表明：冷却油腔形状对活塞温度场影响较大，油腔高度对活塞温度场的影响最为明显。

3 热机载荷耦合作用下数值仿真计算分析

因为活塞在内燃机运行过程中同时受到燃气燃烧所产生的热载荷和机械载荷的影响，单独考虑活塞的应力场和温度场对活塞的结构可靠性进行数值仿真计算分析与活塞实际运行工况是不相符的，所以必须考虑在热机载荷耦合作用下活塞的实际工作情况，对活塞在热机载荷耦合作用下的结构可靠性问题进行研究。

张俊红等［23］对柴油机活塞在热机载荷耦合作用下的结构热机耦合应力数值仿真计算研究表明，活塞的变形主要是在热载荷作用下的热变形。Wang Y X等［24］对QT 300活塞在热机载荷耦合作用下的结构可靠性数值仿真计算研究表明，最高温度位于活塞顶部，最低温度位于活塞裙边，最高耦合应力位于活塞销孔上方的内边界。Liu Q等［25］研究表明，活塞在热机载荷耦合作用下，耦合应力最大值位于销座与销孔接触面上以及销孔上方销座内侧，因此建议在活塞颈部与活塞销座之间设置加强肋以提高销座的实际承载能力。为了更加精确反映活塞受力及变形情况，赖菲［26］对活塞的几个危险部位进行了热机耦合瞬态动力学数值仿真计算分析，并得到了活塞的耦合应力载荷谱，耦合计算结果更加接近实际工况。

同时，相关学者在活塞热机载荷耦合作用下活塞结构热机耦合应力数值仿真计算结果研究成果的基础之上对活塞进行了结构形状优化。高晖［27］在对QT300活塞进行热机耦合应力场分析之后，对活塞销孔和活塞头部进行了形状优化，提高了活塞可靠性。宁海强等［28］根据活塞在热机耦合作用下的位移场分布情况，对活塞结构进行了改进，降低了活塞工作时的最高温度。

在活塞热机耦合应力场仿真计算的研究成果的基础上，相关学者对活塞的疲劳寿命展开了数值仿真计算分析。Liu X F等［29］为了研究活塞加速疲劳寿命与其运行方式之间的关系，分别计算了活塞在不同应力条件下的寿命，结果表明：逆幂律模型与仅受机械应力活塞的加速寿命吻合良好；广义Eyring模型能够很好地计算活塞在热机耦合作用下的疲劳寿命。Floweday G等［30］在对柴油机活塞的热机疲劳损坏和失效的研究中发现，导致活塞断裂的原因是由于过大的热机载荷致使初生硅相开裂和随后的微裂纹形成，这种微裂纹的渐进式形成将导致足够大的缺陷，通过高周疲劳机制引发传播。

4 高周热机疲劳和低周热疲劳数值仿真计算分析

除前述对活塞进行热机耦合应力场数值仿真计算分析外，国内外学者还对活塞结构可靠性进行了高周热机疲劳和低周热疲劳数值仿真计算分析研究。

4.1 高周热机疲劳仿真计算分析

针对活塞高周热机疲劳的研究，许春光等［31］基于FEMFAT疲劳分析软件，考虑温度场及各种修正因素影响对活塞单工况下高周热机疲劳寿命进行了预测，以及采用双线性累积损伤准则对柴油机考核工况下活塞疲劳寿命进行了预测。结果表明，采用双线性累积损伤准则可便捷地进行多工况周期性热机载荷作用下活塞高周热机疲劳寿命预测。Krishnankutty P等［32］对近共晶铝硅合金活塞的高周疲劳性能研究表明，挤压铸造的活塞合金具有高疲劳极限的特性。

4.2 低周热疲劳仿真计算分析

针对活塞低周热疲劳的研究，徐春龙等［33］以局部应力-应变理论Manson-Coffin公式和线弹性有限元理论为基础，总结出了在热疲劳与高温蠕变相互作用下活塞的低周热疲劳寿命预测公式。胡定云等［34］基于疲劳分析软件FE-FATIGUE中的E-N方法，对铝合金活塞进行了低周热疲劳寿命预测，数值仿真计算预测结果与试验结果基本吻合。许春光等［35］基于FEMFAT疲劳分析软件中的HEAT Sehitoglu模块，对活塞进行了多损伤因素下低周热疲劳寿命预测，为活塞优化提供了依据。

Zhang W Z等［36］研究了铝硅合金材料在不同温度下的低周热疲劳失效和在高温下压缩蠕变-疲劳失效过程中的微观组织演变过程和断裂机理，并总结了这2种试验载荷下铝硅合金材料的损伤模式。显微观察表明：在一定程度上，压缩蠕变在高温下的作用可以防止材料内大尺寸裂纹的萌生和扩展，并防止在低周热疲劳载荷下快速发展的损伤。

但是，目前对活塞用铝硅合金材料在不同温度下低周热疲劳性能和损伤机理的准确合理表征相对较少［37］。此外，低周热疲劳寿命预测模型、加载温度、热机载荷相位与材料微观结构损伤演变之间的综合关系尚不十分清楚。到目前为止，学者们已经提出了较多的低周热疲劳寿命预测模型［38-40］，它们大致可以分为应力准则、应变准则、应力-应变准则和能量准则等4类。然而，在高温条件下使用应力或应变模型对铝硅合金活塞进行寿命预测，将会出现如下问题：①铝硅合金的循环应力具有明显的循环软化特性，在高温下，活塞低周热机疲劳期间循环应力降低，循环应变增加；②温度的变化对材料的应力和应变响应有显著影响；③ 基于应变的Manson-Coffin公式，忽略了应力变化对抗疲劳性能的影响，无法对异常疲劳寿命给出合理的解释；④模型无法评估不同温度下的活塞低周热疲劳特性。Liu R等［41］和Shao C W等［42］研究表明，与应变幅相比，滞后能量是评估低周疲劳损伤的最佳选择。Wang M等［43］研究了不同温度下铝硅合金活塞的裂纹萌生、裂纹扩展和热机疲劳寿命以及相应的损伤机理等低周热疲劳行为，提出并分析了基于滞后能量的模型以及与作为温度函数损伤机制相关的相应参数。Zhang G H等［44］针对铝硅合金活塞，详细描述了其断裂过程，提出了疲劳断裂模型。Wang M等［45］在此基础上基于滞后能量和应变率修正，考虑疲劳和蠕变耦合损伤，提出了一种新的基于能量的低周疲劳和热机疲劳寿命预测模型，预测结果与铝硅合金活塞的实验测试结果吻合。Zhang W X等［46］研究表明铝硅合金活塞的热机疲劳裂纹扩展速率和等效应变范围不依赖于试样的形状和尺寸。

5 工艺条件下可靠性数值仿真计算分析

活塞的加工工艺流程主要有铸造、粗精车、镗销孔、表面处理等。围绕活塞加工工艺条件下结构可靠性数值仿真计算方法的研究也在蓬勃发展。

5.1 考虑铸造工艺的活塞结构可靠性数值仿真

铸造是一种包含了大量复杂物理化学过程的金属成型方法。活塞铸件的质量与浇注过程、生产环境密切相关，且铝硅合金材料具有复杂的凝固行为和组织结构形态，由于活塞铸件结构、金属熔炼以及工艺设计等方面原因，活塞铸件会出现热裂纹或者在某些部位产生过大的残余变形缺陷，这2种铸造缺陷都直接与凝固过程中热应力的产生和发展有关。同时在铸造过程中会伴随着各种铸造缺陷，如缩松、气孔、冷裂、夹渣等。这些缺陷的存在不仅破坏材料的局部连续性，也大幅度地降低了活塞用铝硅合金材料的力学性能和机械性能，使得材料过早断裂和失效，严重地影响了活塞的服役性能和结构可靠性。

关于考虑铸造工艺的活塞结构可靠性数值仿真，吴军等［47］采用 ProCAST铸造仿真软件，对ZL104铝合金活塞砂型重力铸造过程进行了数值模拟，依据模拟结果，分析了铸件充型凝固过程的速度场和温度场，并预测出缺陷形成区域，建立了工艺优化措施。秦文真等［48］采用ProCAST软件，对铝合金活塞浇铸过程中模具的温度场和应力场进行了有限元仿真，根据温度场与应力场仿真结果，预测了活塞模具的易失效区域，通过与实际失效结果对比，发现仿真结果中易失效区域位置与实际模具失效区域位置相吻合。沈家栋等［49］利用ProCAST软件，针对ZL108铝合金活塞铸造工艺进行了数值模拟研究，利用正交试验法考察了浇注温度、浇注速度、模具温度3个工艺参数，对数值模拟结果进行了晶粒尺寸、缩松缩孔分布、充型率等几个方面的综合评分。

然而，内燃机活塞在铸造生产过程中会产生一定的残余应力，针对活塞残余应力的结构可靠性数值仿真计算，张卫正等［50］的研究结果表明：铝合金活塞顶面残余应力沿切削方向呈现两头小中间大并沿深度方向呈现由残余拉应力向压应力转变的分布规律，且最大残余拉应力随切削速度增加而增大，但增大率减小；采用逐层钻孔法测量了深度方向残余应力的分布，对不同切削速度下已加工表面的残余应力进行了测量，验证了可靠性数值仿真计算所得的残余应力变化规律的正确性。

但关于活塞铸造残余应力和铸造缺陷可靠性数值仿真计算分析的研究较少，为了完整和准确地对内燃机活塞的结构可靠性进行数值仿真计算分析，将活塞的铸造过程模拟、结构应力场分析和热机疲劳寿命预测三者有机地结合起来，充分考虑铸造残余应力和铸造缺陷对内燃机活塞机械性能及服役性能的影响，对活塞结构可靠性进行数值仿真计算也将是未来的发展方向。

5.2 结构表面仿生数值仿真

生物界中许多物种在进化过程中形成了抗疲劳的可靠性体表形态，相关学者已将这些非光滑形态应用于工程设计中。

关于活塞结构表面仿生，吴波进行了大量研究［51-54］，其研究结果表明：表面带有凹坑和通孔的内燃机活塞，可以起到储油、存屑改善润滑的作用，同时可卸载活塞油环槽处的集中应力，提高内燃机工作效率；仿生活塞在卸载活塞回油孔集中应力和减阻、耐磨性能均高于标准活塞；贯穿于活塞裙部的轴向的浅窄大间距条纹可提高活塞疲劳寿命；对仿生活塞性能的影响从高到低依次是条纹宽度、条纹深度和条纹分布模式。国外Zheng L等［55］的研究结果表明，硬度梯度与六边形纹理的仿生耦合可以提高抗磨损性能，为活塞的磨损和摩擦管理提供了新的策略。因此，考虑活塞表面微观仿生结构对活塞结构可靠性影响的数值仿真计算方法亦为未来研究的一大热点。

5.3 表面涂层和阳极氧化层数值仿真

关于活塞表面热障涂层的研究，威望等［56］研究了活塞顶面热障型陶瓷涂层对温度场及耦合应力场分布的影响规律，研究结果表明，在活塞顶面涂覆导热系数较低的陶瓷涂层，可减少燃气传递给活塞基体的热量，能起到很好的绝热效果。Yao Z H等［57-58］的研究结果表明：涂覆纳米氧化锆热障涂层活塞的基体温度比传统活塞的基体温度低得多，这表明热障涂层可有效地为活塞提供热疲劳保护并减少热损伤。雷基林等［59］的研究结果表明：活塞顶面热障涂层能有效降低活塞头部和环槽区域的工作温度；但活塞顶面涂覆热障涂层后，活塞基体顶面黏结层区域的热应力会急剧升高，活塞基体顶面、喉口区域以及边缘棱角处热应力集中现象明显，易导致热障涂层的剥落失效。Cerit M等［60-61］研究了涂层厚度对活塞温度场和热应力场分布的影响，并通过数值仿真计算方法与未涂覆涂层活塞的结果进行了比较。同时，其研究了涂覆燃烧室沉积物涂层活塞在均质充量压缩点火发动机中工作时的温度场分布［62］。Zhang J等［63］的研究结果表明：石墨涂层的涂覆在减少摩擦和抵抗气缸磨损方面起着重要作用，且石墨涂层的固体润滑剂特性可以在诸如冷启动或运行阶段的苛刻条件下为耦合元件提供期望的保护。

杨靖等［64］研究了活塞顶部阳极氧化层对活塞热载荷的影响，结果表明：在最大载荷工况下，阳极氧化活塞最高温度较原始活塞最高温度降低，其最大热应力较原始活塞最大热应力也减小，其他区域温度和热应力均有不同程度的减小，证明了阳极氧化工艺能降低活塞的热负荷，同时有利于增强活塞的可靠性，延长其使用寿命。

5.4 烧蚀失效数值仿真

随着内燃机向着高速和高功率密度方向发展，活塞的最高温度已经超过400℃，甚至超过铝合金活塞材料的熔点，会造成活塞烧蚀等失效破坏的发生，严重影响柴油机的正常工作。

在活塞烧蚀失效，张卫正进行了大量研究［65-67］，研究结果表明：表面温度对铝合金材料烧蚀的影响最显著，气流冲刷角度、燃气速度对烧蚀的影响则依次减弱，铝合金材料的烧蚀机制是熔化烧蚀和气流剥蚀两方面的共同作用；柴油机喷油器喷孔磨损变大将增大活塞发生烧蚀的可能性，且烧蚀量随着喷油器孔径的增大先增大后减小；添加氧化铝纤维或硼酸铝晶须均可改善铝硅合金材料的抗烧蚀性能，其中添加硼酸铝晶须的铝硅复合材料具有最佳的抗烧蚀性能。

6 展望与建议

1）活塞结构可靠性数值仿真计算分析总体上呈现边界条件精准化、计算方法多样化和学科知识交叉化的发展趋势。随着内燃机向高速和高功率密度方向发展，在保证活塞结构可靠性数值仿真计算效率的前提下，如何提高仿真真实性以及提升仿真精度已成为活塞结构可靠性数值仿真计算亟需解决的关键问题。同时，不同类型活塞的数值仿真计算边界条件、不同仿真类型的计算方法和多学科知识的交叉将推动活塞结构可靠性仿真计算的持续多样化，以适应未来活塞结构可靠性仿真的复杂化和个性化工程需求。

2）从国内外研究现状可以发现，我国活塞结构可靠性仿真计算水平与国外还有差距，其原始技术几乎全部从国外引进，不仅耗资巨大，而且技术核心仍然掌握在国外企业手中，这同时将影响到我国内燃机制造业。为此，必须立足国情，针对我国汽车保有量大的特点，集中产学研用等行业优质资源，完善协同创新体系，在已有基础上开展持久、全面、深入的理论研究和技术攻关工作，以打破国外技术封锁，全面提升我国活塞结构可靠性仿真计算能力。