温度试验与热力耦合仿真对活塞结构的优化

庞圣桐，曾东建，汪建忠，吕高全

1 引言

随着汽油机性能不断被强化。高增压、高转速，使汽油机的机械负荷和热负荷[1]不断增大。活塞作为关键零部件，其可靠性能直接影响汽油机的使用。国内外对活塞进行过大量研究。文献[2]中研究人员利用硬度塞法对某二冲程汽油机进行了活塞温度场测量，同时利用有限元软件仿真计算了该汽油机的活塞温度场，并将试验和仿真结果进行了对比分析，验证了试验与仿真结果的一致性。文献[3]中研究人员运用CFD结合FEM分析了发动机在高功率运行时活塞的热流分布和热流密度。文献[4]中研究人员对活塞的传热和热强度进行研究，得出了活塞顶部厚度对活塞温度场和热应力的影响规律。文献[5]中研究人员应用了耦合仿真方法，解决了活塞顶部热负荷高的问题。但这些研究中未涉及侧压力、摩擦力等接触力对活塞的影响。因此本课题中应用非线性有限元方法，考虑接触力等影响因素，对活塞进行热力耦合分析。

2 提出问题及问题解决技术路线

2.1 提出问题

为满足国家对机动车提出节能减排的要求，提高小排量发动机的动力性，将小排量汽油机的进气方式由自然吸气改为增压，发动机增压后热负荷和机械负荷的大幅增加对活塞等发动机关键零部件的可靠性带来了致命的影响。一排量为1.5L的汽油机增压后，原机活塞在进行可靠性试验中发现活塞销孔周围出现裂纹，表明活塞强度不满足增压汽油机的使用，如图1所示。……