柴油机活塞内冷油道CAE优化设计

张岗

摘  要：本文针对国内某款柴油机活塞在售后市场上较大范围出现活塞开裂穿孔等失效问题，对柴油机活塞内冷油道位置及结构尺寸进行优化设计，采用ANSYS软件对优化方案进行CAE模拟分析，通过对活塞温度及温度-结构耦合应力结果对比分析研究，对柴油机活塞内冷油道进行设计优化，通过台架试验和市场应用验证，有效降低了柴油机活塞开裂穿孔等失效风险和售后市场赔偿率。

关键词：柴油机活塞;内冷油道;热-结构耦合分析

中图分类号：U446      文献标识码：A      文章编号：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

活塞是柴油机燃烧室中的关键零部件，与整机的性能、排放性和经济性密切相关。随着发动机向高速、强化方向的发展，其增压比和升功率不断提高，热负荷大幅增加，活塞的工作条件更加恶劣，故其可靠性已成为提高发动机可靠性的关键因素之一。

内燃机活塞工作环境恶劣，不仅承受燃烧气体爆发压力、活塞组件的惯性力、缸壁的反作用力，而且还承受气体燃烧所释放出的热量，因此，活塞结构设计复杂。以前的设计基本靠产品设计者的经验和昂贵的发动机试验进行验证，不仅浪费巨大的人力物力，而且开发周期很长;目前国内外已普遍采用CAE模拟分析进行活塞可靠性设计，提高活塞产品设计開发效率，因此对于活塞可靠性进行模拟仿真分析已成为活塞产品设计的必要步骤。

本文主要针对国内某款柴油发动机活塞在售后市场上出现较多活塞开裂穿孔等失效问题，通过对活塞内冷油道进行设计优化，采用ANSYS软件Mechanical模块进行CAE计算分析，通过分析优化活塞油道位置和形状尺寸设计，以期降低活塞开裂穿孔失效风险。

柴油机活塞CAE分析目标：通过CAE模拟分析活塞内冷油道位置、高度、偏移等对燃烧室喉口及内冷油道部位的应力影响，找出内冷油道适宜位置及形状尺寸，通过活塞产品设计优化，以改善柴油机活塞开裂穿孔的失效问题。

分析方案：针对油道位置和形状尺寸进行设计对比分析，找出活塞内冷油道最佳位置和形状尺寸，提高活塞工作强度可靠性，解决活塞穿孔开裂问题。

2    活塞材料参数和CAE模型

柴油机活塞采用共晶铝硅合金材料S04，其常温下的弹性模量E=72000 MPa，泊松比μ=0.3l，导热系数λ=140 W/（mm×K），比热容C=920E-3 J/（ T×K ），密度ρ=2 .73E-9T/mm3，150～350℃时的材料线形膨胀系数β=21.4×10-6/℃;

活塞一环槽部位铸铁镶圈采用奥氏体铸铁，其常温下的弹性模量E=99000Mpa，泊松比μ=0.28，导热系数λ=60W/（mm×K），比热容C=448E-3J/（T×K），密度ρ=7.3E-9T/mm3，150～350℃时的材料线形膨胀系数β=19.5×10-6/℃;

活塞销及连杆材料采用合金钢20CrMnTiH，其常温下的弹性模量E=207000MPa，泊松比μ=0.3，导热系数λ=50 W/（ mm×K ），比热容C=460E-3 J/（ T×K ），密度ρ=7.83E-9T/mm3，150～350℃时的材料线形膨胀系数β=12×10-6/℃。

活塞、活塞销和连杆模型的建立，首先采用UG软件建立产品的三维几何模型，并且把所建立的三维模型通过UG和ANSYS软件的接口导入到ANSYS中;所有部件均是按照真实尺寸建模，导入后没有特征的丢失。在本次分析中热单元采用10节点87号单元，结构单元采用10节点187号单元;采用四面体网格自适应网格划分，保证CAE网格的划分质量，在活塞危险区域和需要重点关注区域进行网格细化，以保证分析结果的准确;模型和网格划分效果如下图3：

3    边界条件

活塞热-结构耦合场的计算采用间接耦合法，先分析活塞温度场，将温度场的结果作为边界条件进行温度-结构耦合分析。

3.1   温度场载荷的处理

活塞的热边界条件采用传热的第三类边界条件，即给出外围介质温度和边界的对流换热系数， 柴油机活塞在设计时考虑采用内冷油道来降低活塞的热负荷，通常活塞内冷油道与冷却喷油的换热系数在1000-1600 W/（m2×K）之间。活塞内腔与曲轴箱飞溅油的换热系数在300-600 W/（m2×K）之间，且自上而下逐段减小;裙部区域的换热系数在350-465 W/（m2×K）之间;环区的换热系数在第一环槽可高达1500 W/（m2×K）。燃烧室顶面对燃气的换热系数在400-600W/（m2×K）活塞各个面上的对流换热系数见下表1。

3.2   结构分析载荷的处理

在活塞顶面加载发动机最大爆压18MPa，在火力岸及一环槽区域加载0.8倍最大爆压，二环槽区域加载0.2倍最大爆压。

3.3   连接及约束处理

活塞与活塞销、活塞销和连杆间建立接触对连接，连杆下端面固定约束。

4    CAE分析结果

4.1   现设计（1#方案）活塞CAE分析结果

温度分析结果：活塞最高温度为338.39℃，出现在活塞燃烧室喉口部位，活塞最低温度为141.50℃，出现在活塞裙部的下端。

温度-结构耦合分析应力分析结果：应力最大部位在活塞一环槽下侧面，最大应力为141.5 MPa，销孔部位最大应力值为73.8MPa，内冷油道部位最大应力为109.2 MPa，燃烧室喉口部位最大应力为51.9 MPa。

4.2   油道上下位置移动（2#、3#方案）CAE分析的应力结果对比

对比结果：内冷油道位置上下移动对活塞温度及内冷油道应力均有影响，尤其对活塞内冷油道部位应力影响较大，油道上移可以降低活塞内冷油道部位应力，同时降低活塞整体温度;内冷油道下移则显著增大活塞内冷油道部位应力，并导致活塞温度升高。

4.3   油道偏心移动（4#、5#方案）CAE分析的应力结果对比

对比结果：油道沿销孔或垂直销孔方向移动1.5毫米对活塞温度影响不明显，但对内冷油道和燃烧室喉口部位应力有一定影响，油道和燃烧室喉口部位应力升高，故要求在生产中对活塞内冷油道偏移公差应进行严格控制，避免内冷油道偏移量过大，造成活塞危险部位应力过大，造成活塞在内冷油道和燃烧室部位出现开裂失效。

4.4   油道形状尺寸（6#、7#、8#方案）CAE分析的应力结果对比

活塞内冷油道高度和宽度减小，造成活塞内冷油道内腔冷却面积减小，内冷油道尺寸减小虽然对活塞内冷油道、燃烧室和销孔部位的应力有一定程度降低，但导致活塞温度升高幅度较大，降低活塞使用可靠性。

4.5   结果汇总统计分析

活塞内冷油道上移，活塞温度下降较为明显，活塞内冷油道、燃烧室喉口部位应力也有所降低，这对改善活塞出现的开裂穿孔失效有明显效果;活塞内冷油道形状尺寸减小对改善活塞危险部位应力有一定效果，但减小了活塞内冷油道冷却面积，造成活塞整体温度升高，不利于活塞可靠性提高;活塞內冷油道位置偏移公差过大，会导致活塞内冷油道及燃烧室喉口部位应力增大，尤其是内冷油道部位应力增大较为明显，所以活塞油道偏移公差应在生产中严格控制，防止出现大于1mm以上的偏移。

5    结论

（1）活塞内冷油道的上下位置变动：油道上移，活塞整体温度降低，并可使活塞内冷油道和燃烧室喉口部位的应力降低，对改善活塞整体结构强度具有很好的效果;油道下移，活塞整体温度升高，并将导致活塞内冷油道部位的应力出现较大幅度的增加，增加活塞开裂穿孔的风险。

（2）活塞内冷油道偏移对活塞强度影响较大，会导致活塞内冷油道部位应力显著增大，活塞内冷油道偏移度应在生产工艺中严格控制。

（3）减小内冷油道内腔面积可以降低活塞内冷油道部位的应力，但减小内冷油道内腔面积会造成活塞整体温度升高较大。

综合以上CAE分析对比结果，柴油机内冷油道活塞设计优化方案采用内冷油道上移1.0mm，内冷油道形状尺寸不变，可以有效降低活塞整体温度，同时降低活塞内冷油道和燃烧室喉口部位结构应力，从而有效降低活塞售后市场出现开裂穿孔的风险。

依据CAE模拟分析结果对柴油机活塞内冷油道优化设计，设计优化后的活塞产品经过发动机台架试验及市场应用验证，柴油机活塞售后市场出现活塞开裂穿孔失效比率明显降低，有效解决了柴油机活塞开裂穿孔失效问题。

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