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Abaqus在某发动机活塞改进设计中的应用

蓝宇翔

（广西玉柴机器股份有限公司工程研究院CAE室广西玉林537005）

摘要：本文通过用有限元分析软件ABAQUS对某发动机活塞强度进行了有限元分析，为设计更

改提供了依据，计算结果与实际情况相吻合。

关键词：活塞强度有限元ABAQUS

0前言

针对实验过程中某发动机活塞顶部活塞销向喉口处出现开裂现象，提出活塞销外径、压缩高

各增2mm方案，为了验证结果，对改进前后的活塞强度进行对比计算。

1有限元模型

有限元模型包括活塞、活塞销、连杆体。有限元单元为10节点四面体。模型的节点数及单

元数见表1，有限元模型见图1。

有限元网格用Hypermesh软件划分，在Abaqus/CAE里施加边界条件，最后用Abaqus求解。

表1模型节点数和单元数

零件单元数节点数

活塞（原模型）4429976855

活塞（销径增2）4410376203

活塞（压缩高增2）4455677301

活塞销2033233894

连杆体47568658

材料特性略

2边界条件

活塞行程S=145mm

最大爆压PBZ=16.5MPa

最大扭矩转速n=1100～1300rpm

曲柄半径R==S/2=72.5mm

连杆长度L=224mm

当发动机处于稳定工况时，活塞温度场近似于稳态，按第三类边界条件进行计算，得出活

塞温度场边界，计算活塞温度。

排气上止点工况如图1所示，全约束连杆模型底面，约束活塞绕活塞销轴向转动，整个模

型加施加惯性力。

燃烧上止点工况在排气上止点工况的基础上多加上燃气压应力，在曲轴转角约为10度时，

燃气压力最大，根据AVL/EXCITEPistonRings的计算结果，此时第一、二、三环岸的气体压应力

16.5、1.10、0.20MPa，如图15所示。

惯性载荷通过加速度的形式输入，加速度的计算公式

Rπn

2

aRw2(cosR/Lcos2)(cosR/Lcos2)

=××+×=??×+×

αα?×?αα

1000?30?

在曲轴转角α=10°时，加速度

a=1240m/s2

16.5MPa

1.10MPa

0.20MPa

约束活塞

绕活塞销

旋转

触

全约束

连杆模

型底面

图1有限元模型图2最大爆压边界条件示意图

3计算结果与分析

计算结果如图3～5所示，在发动机一个工作循环内，最大应力σmax、最小应力

σmin可在图4～5中得出，对应节点温度可在图3中得出，平均应力σm=(σ

max+σmin)/2，应力幅σa=(σmax-σmin)/2，通过活塞高周疲劳计算得出安全系

数，如图6，活塞顶销向位置机械切向应力如图7，温度如图8，路径见路9。

图3活塞温度场图4活塞热应力图5活塞耦合应力

在图6中，原模型、改销径、改压缩高三方案的最小安全系数分为0.83、0.81、1.09，前两

者安全系数都小于1，不满足设计要求，改压缩高后大于1，可满足设计要求。最小安全系数位

置如图9。活塞销外径增加后，活塞顶部刚度有所下降，安全系数比原模型稍有降低。

图6活塞销方向安全系数

图7中原模型、改销径、改压缩高三方案在燃烧室底部最大机械切向应力分为47.00、

49.18、40.27MPa，小于标准极限，在燃烧室底喉口最大机械切向应力分为41.57、43.33、29.83MPa，

前两者均大于极限标准值，会导致开裂，活塞销外径增加后，会加大应力，改压缩高后的应力降

低明显，极限标准值之内，可满足设计要求。

位于燃烧室底部

位于燃烧室喉口

图7活塞销方向切向应力

图8中，原模型、改销径、改压缩高三方案路径温度变化很小。

图8活塞销方向活塞顶部路径温度

安全系数

最小位置

煅烧室喉

口位置

燃烧室底

部位置

图9面活塞销方向活塞顶部路径

4计算结果与分析

气缸体材料为铝合金，通过疲劳计算，得出修改气缸体模型在活塞冷却喷钩让位坑处的最小

数为1.15，大于1.1，证明强度满足设计要求，考虑到制造误差及材料的离散性，适当加大最小

安全系数处的过渡圆角半径，以提高此处强度。通过实验证明，修改后的气缸体强度满足设计要

求。

5结论

增加活塞销外径，对活塞顶部强度有所影响，增加活塞压缩高度，对活塞顶部强度的改善比

较明显，采用增加高方案后，活塞故障消失，说明计算分析是有效的。

参考文献

1．蓝宇翔某发动机有限元分析2008中国区用户年会论文