一、课题研究现状、选题目的和意义

1.1 目的及意义

活塞是传统内燃机的核心部件之一，其性能的优良直接影响到整个内燃机的性能及可靠性。活塞的主要功用是承受气缸内的燃烧压力，并通过活塞销和连杆传递给曲轴。随着内燃机向着高转速、高增压和高压缩比的趋势发展，活塞作为内燃机严酷工作环境中最重要的零件之一，受到周期性高温燃气的直接作用，承受着非常大的热负荷和机械负荷，这要求更高的活塞强度，更有效的冷却和润滑效果。活塞作为内燃机的主要受热零部件之一，由于受热面积大，散热条件差，状态交替迅速，由此产生的热变形严重影响着活塞的工作性能、使用寿命，并可能导致内燃机严重磨损、拉缸，甚至破坏等故障，极大地影响整机的性能和可靠性，并且在对以往的发动机零部件损伤调查中发现，活塞损伤失效占有很大比例，因此对于活塞进行相关的热分析和强度分析具有十分重要的意义。本文将针对拖运类汽车的某款柴油发动机，分析活塞在热负荷和机械负荷作用下的热应力应变，以及变形。有望为活塞的设计、优化提供一定的参考。

1.2 研究现状

国内外对于活塞进行了诸多方面的研究，包括温度场的分析、活塞热应力分析、活塞疲劳分析、热冲击分析、润滑油油膜分析等等。本文将主要从温度场和热应力方面展开论述。对于活塞热负荷、应力分析主要有三大研究方法，解析法，实验法和数值模拟法。数值模拟的方法相对于实验法的优势是可以最大程度地降低研发设计成本和缩短研发周期。基于计算机的数值分析法成为众多学者和工程师的第一选择。

国内的彭春华以250整体球铁活塞为研究对象，在最高爆发压力下对活塞进行静强度有限元计算，发现通过增大过渡圆角可以增加活塞顶部刚度[1]；马斌研究了发动机不同工况下活塞的静强度，其将活塞动态的负荷过程简化成在最高温度和最大爆发压力作用下的应力强度，结果是同样可以为设计提供参考[2]；宋飞通过对汽油机活塞的静力分析，发现在活塞销座附近的应力和应变最明显[3]。由于活塞正常工作时在气缸内受到周期性高温燃气的直接作用，活塞头部中心的温度可达300-400°C，裙部的温度也有150°C左右，高温使得活塞材料的机械强度显著降低，温度分布不均将会在活塞内部产生热应力，因此有必要分析活塞的受热情况。郑显良研究分析了250型柴油机活塞的热负荷特性，得到活塞的温度场以及热流密度分布图，与试验结果对比误差在5%以内[4]。华中科技大学的叶晓明研究了CA6110/125Z 型柴油机活塞的温度场，与试验结果也大致相等[5]。王勇针对CB250汽油机活塞进行了温度场的研究，发现最高温度出现在活塞头部，最大热变形在活塞火力岸边缘[6]。随着不断地深入研究，通过活塞温度场计算获得各部位的最高温度分布及活塞温度的梯度变化分布情况，之后再进行活塞的应力应变计算，可以有效地找出对应的应力集中区，更准确地进行活塞的品质评价和设计优化。李闯采用有限元法对某柴油机活塞在热载荷、机械载荷同时作用下进行模拟，得到活塞裙部的径向变形量随着裙部的增高而增加的结论[7]。孙文福对某钢顶铝裙活塞进行了热力耦合分析，结论是活塞头部主要受热负荷作用，裙部温差小，受热负荷不明显，以机械应力为主[8]。由于活塞在工作时不仅会受到机械载荷的作用，同时也会承受热负荷，本工作将分别进行静强度，热负荷，以及热力耦合分析。在已有的工作中，宋飞、叶晓明等用于研究的活塞模型过于简单；彭春华等确定静强度载荷时不够完整；王勇、孙文福等人在确立温度场的热边界条件时不够准确，本工作将在上述基础上进行研究改进。

数值模拟的理论研究主要来自国外，国外在热负荷理论研究方面较早，1985 Edward.Fort就首次成功地模拟了柴油机活塞及其附件的温度场[9]，揭开活塞的传热模拟研究。但是局限于活塞工作环境的复杂性，其边界条件的确立仍然是难点之一。现在大多数采用的是理论结合经验的方法。经验和半经验公式也主要来自上世纪国外传热学的基础研究。来自伊朗Shiraz大学的M.Rashidi通过局部对称的热边界条件进行研究发现，活塞在气缸中不同位置的热边界条件存在差异，但其变化趋势和发动机曲轴转角相同[10]。而来自美国威斯康星大学的R.D.Reitz用有限元差分法对发动机燃烧室进行循环瞬态的模拟分析，所用的模型将润滑油膜、缸盖、缸套以及活塞组等都考虑进来，提高了缸内传热条件的模拟精度[11]。目前对于发动机气缸传热的研究仍然是国内外的热点和难点之一，国内许多学者在确定热边界条件时是参考已有的经验值，对于不同的发动机活塞，计算可能不够准确。鉴于以上工作，本工作将通过经验或者半经验公式来计算活塞的主要热边界条件。