柴油機活塞內冷油道CAE優化設計

張崗

摘? 要：本文針對國內某款柴油機活塞在售后市場上較大范圍出現活塞開裂穿孔等失效問題，對柴油機活塞內冷油道位置及結構尺寸進行優化設計，采用ANSYS軟件對優化方案進行CAE模擬分析，通過對活塞溫度及溫度-結構耦合應力結果對比分析研究，對柴油機活塞內冷油道進行設計優化，通過臺架試驗和市場應用驗證，有效降低了柴油機活塞開裂穿孔等失效風險和售后市場賠償率。

關鍵詞：柴油機活塞;內冷油道;熱-結構耦合分析

中圖分類號：U446? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）03-0082-05

Abstract： This paper aims at the failure of piston cracking in a domestic diesel engine piston in market. The position and structure size of the internal cooling oil channel of the diesel engine piston are optimized. The ANSYS software is used to simulate the optimization scheme by CAE， Temperature of piston、the coupling stress results of the piston are obtained. The design optimization of internal cooling oil channel of diesel engine piston is carried out by comparison analysis. Through Engine bench test and market application verification， the failure risk of diesel engine piston is cut down， market compensation rate are effectively reduced.

Key Words： Diesel engine piston; Internal cooling oil channel; Thermal structure coupling analysis

1? ? 前言

活塞是柴油機燃燒室中的關鍵零部件，與整機的性能、排放性和經濟性密切相關。隨著發動機向高速、強化方向的發展，其增壓比和升功率不斷提高，熱負荷大幅增加，活塞的工作條件更加惡劣，故其可靠性已成為提高發動機可靠性的關鍵因素之一。

內燃機活塞工作環境惡劣，不僅承受燃燒氣體爆發壓力、活塞組件的慣性力、缸壁的反作用力，而且還承受氣體燃燒所釋放出的熱量，因此，活塞結構設計復雜。以前的設計基本靠產品設計者的經驗和昂貴的發動機試驗進行驗證，不僅浪費巨大的人力物力，而且開發周期很長;目前國內外已普遍采用CAE模擬分析進行活塞可靠性設計，提高活塞產品設計開發效率，因此對于活塞可靠性進行模擬仿真分析已成為活塞產品設計的必要步驟。

本文主要針對國內某款柴油發動機活塞在售后市場上出現較多活塞開裂穿孔等失效問題，通過對活塞內冷油道進行設計優化，采用ANSYS軟件Mechanical模塊進行CAE計算分析，通過分析優化活塞油道位置和形狀尺寸設計，以期降低活塞開裂穿孔失效風險。

柴油機活塞CAE分析目標：通過CAE模擬分析活塞內冷油道位置、高度、偏移等對燃燒室喉口及內冷油道部位的應力影響，找出內冷油道適宜位置及形狀尺寸，通過活塞產品設計優化，以改善柴油機活塞開裂穿孔的失效問題。

分析方案：針對油道位置和形狀尺寸進行設計對比分析，找出活塞內冷油道最佳位置和形狀尺寸，提高活塞工作強度可靠性，解決活塞穿孔開裂問題。

2? ? 活塞材料參數和CAE模型

柴油機活塞采用共晶鋁硅合金材料S04，其常溫下的彈性模量E=72000 MPa，泊松比μ=0.3l，導熱系數λ=140 W/（mm×K），比熱容C=920E-3 J/（ T×K ），密度ρ=2 .73E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數β=21.4×10-6/℃;

活塞一環槽部位鑄鐵鑲圈采用奧氏體鑄鐵，其常溫下的彈性模量E=99000Mpa，泊松比μ=0.28，導熱系數λ=60W/（mm×K），比熱容C=448E-3J/（T×K），密度ρ=7.3E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數β=19.5×10-6/℃;

活塞銷及連桿材料采用合金鋼20CrMnTiH，其常溫下的彈性模量E=207000MPa，泊松比μ=0.3，導熱系數λ=50 W/（ mm×K ），比熱容C=460E-3 J/（ T×K ），密度ρ=7.83E-9T/mm3，150～350℃時的材料線形膨脹系數β=12×10-6/℃。

活塞、活塞銷和連桿模型的建立，首先采用UG軟件建立產品的三維幾何模型，并且把所建立的三維模型通過UG和ANSYS軟件的接口導入到ANSYS中;所有部件均是按照真實尺寸建模，導入后沒有特征的丟失。在本次分析中熱單元采用10節點87號單元，結構單元采用10節點187號單元;采用四面體網格自適應網格劃分，保證CAE網格的劃分質量，在活塞危險區域和需要重點關注區域進行網格細化，以保證分析結果的準確;模型和網格劃分效果如下圖3：

3? ? 邊界條件

活塞熱-結構耦合場的計算采用間接耦合法，先分析活塞溫度場，將溫度場的結果作為邊界條件進行溫度-結構耦合分析。

3.1? ?溫度場載荷的處理

活塞的熱邊界條件采用傳熱的第三類邊界條件，即給出外圍介質溫度和邊界的對流換熱系數， 柴油機活塞在設計時考慮采用內冷油道來降低活塞的熱負荷，通?；钊麅壤溆偷琅c冷卻噴油的換熱系數在1000-1600 W/（m2×K）之間?；钊麅惹慌c曲軸箱飛濺油的換熱系數在300-600 W/（m2×K）之間，且自上而下逐段減小;裙部區域的換熱系數在350-465 W/（m2×K）之間;環區的換熱系數在第一環槽可高達1500 W/（m2×K）。燃燒室頂面對燃氣的換熱系數在400-600W/（m2×K）活塞各個面上的對流換熱系數見下表1。

3.2? ?結構分析載荷的處理

在活塞頂面加載發動機最大爆壓18MPa，在火力岸及一環槽區域加載0.8倍最大爆壓，二環槽區域加載0.2倍最大爆壓。

3.3? ?連接及約束處理

活塞與活塞銷、活塞銷和連桿間建立接觸對連接，連桿下端面固定約束。

4? ? CAE分析結果

4.1? ?現設計（1#方案）活塞CAE分析結果

溫度分析結果：活塞最高溫度為338.39℃，出現在活塞燃燒室喉口部位，活塞最低溫度為141.50℃，出現在活塞裙部的下端。

溫度-結構耦合分析應力分析結果：應力最大部位在活塞一環槽下側面，最大應力為141.5 MPa，銷孔部位最大應力值為73.8MPa，內冷油道部位最大應力為109.2 MPa，燃燒室喉口部位最大應力為51.9 MPa。

4.2? ?油道上下位置移動（2#、3#方案）CAE分析的應力結果對比

對比結果：內冷油道位置上下移動對活塞溫度及內冷油道應力均有影響，尤其對活塞內冷油道部位應力影響較大，油道上移可以降低活塞內冷油道部位應力，同時降低活塞整體溫度;內冷油道下移則顯著增大活塞內冷油道部位應力，并導致活塞溫度升高。

4.3? ?油道偏心移動（4#、5#方案）CAE分析的應力結果對比

對比結果：油道沿銷孔或垂直銷孔方向移動1.5毫米對活塞溫度影響不明顯，但對內冷油道和燃燒室喉口部位應力有一定影響，油道和燃燒室喉口部位應力升高，故要求在生產中對活塞內冷油道偏移公差應進行嚴格控制，避免內冷油道偏移量過大，造成活塞危險部位應力過大，造成活塞在內冷油道和燃燒室部位出現開裂失效。

4.4? ?油道形狀尺寸（6#、7#、8#方案）CAE分析的應力結果對比

活塞內冷油道高度和寬度減小，造成活塞內冷油道內腔冷卻面積減小，內冷油道尺寸減小雖然對活塞內冷油道、燃燒室和銷孔部位的應力有一定程度降低，但導致活塞溫度升高幅度較大，降低活塞使用可靠性。

4.5? ?結果匯總統計分析

活塞內冷油道上移，活塞溫度下降較為明顯，活塞內冷油道、燃燒室喉口部位應力也有所降低，這對改善活塞出現的開裂穿孔失效有明顯效果;活塞內冷油道形狀尺寸減小對改善活塞危險部位應力有一定效果，但減小了活塞內冷油道冷卻面積，造成活塞整體溫度升高，不利于活塞可靠性提高;活塞內冷油道位置偏移公差過大，會導致活塞內冷油道及燃燒室喉口部位應力增大，尤其是內冷油道部位應力增大較為明顯，所以活塞油道偏移公差應在生產中嚴格控制，防止出現大于1mm以上的偏移。

5? ? 結論

（1）活塞內冷油道的上下位置變動：油道上移，活塞整體溫度降低，并可使活塞內冷油道和燃燒室喉口部位的應力降低，對改善活塞整體結構強度具有很好的效果;油道下移，活塞整體溫度升高，并將導致活塞內冷油道部位的應力出現較大幅度的增加，增加活塞開裂穿孔的風險。

（2）活塞內冷油道偏移對活塞強度影響較大，會導致活塞內冷油道部位應力顯著增大，活塞內冷油道偏移度應在生產工藝中嚴格控制。

（3）減小內冷油道內腔面積可以降低活塞內冷油道部位的應力，但減小內冷油道內腔面積會造成活塞整體溫度升高較大。

綜合以上CAE分析對比結果，柴油機內冷油道活塞設計優化方案采用內冷油道上移1.0mm，內冷油道形狀尺寸不變，可以有效降低活塞整體溫度，同時降低活塞內冷油道和燃燒室喉口部位結構應力，從而有效降低活塞售后市場出現開裂穿孔的風險。

依據CAE模擬分析結果對柴油機活塞內冷油道優化設計，設計優化后的活塞產品經過發動機臺架試驗及市場應用驗證，柴油機活塞售后市場出現活塞開裂穿孔失效比率明顯降低，有效解決了柴油機活塞開裂穿孔失效問題。

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