基于近似模型的活塞抗疲劳优化分析设计

任晓乐， 董小瑞， 马 浩， 李 悦

(中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

基于近似模型的活塞抗疲劳优化分析设计

任晓乐， 董小瑞， 马 浩， 李 悦

(中北大学 机械与动力工程学院， 山西 太原 030051)

活塞在恶劣工作环境中极易发生疲劳破坏后导致变形和销座断裂， 需要对其进行抗疲劳设计. 以某内燃机活塞作为研究对象， 结合CAD/CAE的集成技术， 提出一种基于近似模型的活塞结构优化减重的方案. 对活塞原模型进行CAD/CAE组合建模和有限元分析， 求得优化所需要的约束条件； 构建了基于近似模型的活塞优化设计模型； 利用ISIGHT软件对优化模型进行仿真； 经过优化， 在不超过活塞材料的极限强度的情况下， 活塞结构减重6.4%并提高了疲劳寿命， 达到预定优化设计要求.

活塞； 近似模型； 疲劳优化； CAD/CAE集成

0 引 言

活塞式内燃机在现代社会发展中有着重要的作用. 活塞是内燃机的核心零部件之一， 它的工作状况直接关系到内燃机工作的可靠性与耐久性[1]. 国内外许多学者一直致力于活塞的疲劳分析及其优化研究， Moral等人最早将热应力计算与机械应力计算结合来分析活塞的耦合传热作用[2]. 张卫正等人通过比较不同功率下活塞应力分布， 得出活塞变形失效的原因主要是由于机械应力集中， 提出将活塞冷却腔进行扩大的方法来降低活塞变形[3]. 张文孝通过基于活塞热机耦合的有限元计算与疲劳寿命分析， 得出针对活塞疲劳寿命的计算准则[4]. 而陶孟章等人另……