基于存储法测温试验的活塞强度与疲劳分析
饶晓轩 黄荣华 陈琳 鲁康 周培 （
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【摘要】为深入研究某型柴油机活塞的强度与疲劳寿命，使用自主研制的高精度（ 存储式测温装置进行活塞温度测量，建立了包含测温试验与数值模拟的完整分析方法。标定工况下，首先测定活塞个关键点的稳态温度，并计算得到温度场分布；再用所建立的热机耦合传热模型进一步计算出耦合应力场，校核活塞强度；最后以耦合应力场为基础分析得到活塞的疲劳寿命。研究结果表明：活塞的最大耦合应力值为 出现在销座内侧顶部区域；活塞疲劳寿命最短部位的疲劳循环次数为 次，均能够满足设计要求。
分析在内的完整分析流程，最后对某型柴油机活塞进行强度与疲劳寿命分析。
2 活塞稳态温度测量试验2.1
本文所使用的高精度存储式活塞温度测量装置[8]如
1
图 所示。该装置包含温度传感器、巡弋开关和数据存
Omega TT-K- 40
储模块。温度传感器选用型号为 的热
±2 ℃，
电偶，其稳态信号最大测量误差为 能够满足活塞稳态温度测量要求。巡弋开关模块和数据存储模块由耐高温绝缘胶封装，固定在活塞销座上，内部含有实时时钟芯片、数据存储器和电池等元件。试验时，该装置能记录和存储所测活塞温度数据和时间等信息，电池最
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长有效工作时间超过 星期，能满足多工况、长时间的测量需求。显然，与传统的硬度塞法、易熔合金法等相比，本文使用的存储式测温装置具有测量精度高、操作简便、能连续测量多个工况等优势。
试验机型为一款直列六缸四冲程水冷增压柴油机，
-
由于活塞热 机耦合应力一般与发动机负荷正相关[9]，
-
最大热 机耦合应力往往出现在标定工况，因此本文选取标定工况进行研究。
2.2活塞温度测点布置
活塞温度测点的布置要考虑在活塞上钻孔布线的方便性，并选取活塞热负荷与热失效的关键点，本文共
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选取了 个测点。为给后续活塞温度场数值模拟提供
1
轴向深度的标定点，同时为便于钻孔，将测点 设置于
15 mm
距离活塞顶面 的进气侧火力岸处，偏离进、排气
15° 2
门避阀坑中心连线 。测点 设置于活塞进气门避阀
1 15°
坑处，与测点 位于偏离进、排气门避阀坑中心连线
3
的同一条直线上。测点 设置于活塞中心凸起顶部，测
4 5
点 设置于排气侧凹坑处，测点 设置于排气门避阀坑
3~ 5
边缘处。测点 测点 均位于进、排气门避阀坑中心连
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线上。活塞测点布置如图 所示。
3存储式活塞温度测量装置活塞强度与疲劳寿命分析
活塞顶面与周期性高温燃气直接接触，因而顶面的
±10 ℃ ±5%
在 以内，相对误差均在 以内，说明所建立的缸-
内燃烧 活塞流固耦合数值模拟模型计算精度较高，结果可信度高，所计算出的温度场可用作后续分析。
3.4热-机耦合应力场数值模拟
Abaqus -
本文使用 软件对活塞热 机耦合应力场进行数值模拟。在初始步中设置读取活塞温度场的计算结果，即可完成热载荷的加载。由于活塞与活塞销的直接接触力与约束十分复杂，为避免约束施加不当而导致计算结果失真，在模型中装配了活塞销，以便施加活塞销和销座的约束条件。在活塞销和连杆小头接触区域，对沿活塞轴向和沿活塞销径向的移动副和转动副进行约束。活塞工作时卡环限制了活塞销轴向运动，为防止活塞销的轴向窜动，在销座侧面约束其沿该方向的移动。在活塞所受的机械载荷中，对结构强度影响最大的是最大爆压，其次是往复惯性力和侧推力，摩擦力的影响较小。为节省计算资源，本文只考虑对结果影响较显著的最大爆压、往复惯性力以及侧推力。爆压加载时，活塞顶面、火力岸及第一环槽上表面取标定工况下的最大爆压Pma（ x 16 MPa）， 75%
第一环槽内侧面和下表面取Pmax，第一环岸和第二环槽上、下表面取25% Pmax，
第二环
20% Pmax，
槽内侧面取 活塞其他位置的压力可以忽略，不加载爆发压力。通过加载往复惯性加速度完成对活塞往复惯性力的施加，活塞往复惯性加速度aj为[11]：
=- cosα + cos2α) 1）
α rω2( λ （ r= 97.5 mm ω= 157 rad/s
式中， 为曲柄半径； 为曲轴旋转角
=0.051 rad =0.279速度； α 为连杆与气缸轴线夹角； λ 为曲柄连杆比。活塞裙部的侧推力在轴向上呈抛物线分布，在周向
90°， 5
上呈余弦函数分布，该活塞油膜承压角为 如图 所示，其侧推力压力分布函数为[12]：
x, θ)= 3Q 1-
q( x2
2RL L2 x cos2θ 2） （
3.5疲劳寿命数值模拟
发动机在实际运行中不仅承受着起停工况造成的低周疲劳损伤，还承受着缸内多循环高频变化的温度、压力及往复惯性力所造成的高周疲劳损伤。本文所研究的柴油机一般长时间稳定运行，起停工况较少，因而活塞的主要失效形式是高周疲劳破坏[13]。
Fe- Safe
本文使用 软件进行活塞的高周疲劳分析，采用基于临界平面法的主应力模型进行寿命预测，选用
Goodman
修正法则对平均应力的影响进行修正。此外，综合活塞的形状和尺寸两方面因素，通过查找尺寸系数
ε= 0.7
曲线取尺寸系数 。考虑到活塞精加工后表面仍会存在一些细微的划痕，成为活塞失效的诱因，取表面加
β1= 0.98
工系数为 。不考虑柴油机在工作过程中的工况变化以及外
1 -
载荷的随机波动，可将 个循环的热 机耦合应力时间
S-历程作为载荷谱。活塞铝合金材料的 N曲线通常需要通过拉压疲劳试验获取，受试验条件所限，参考
[14] S-与本文活塞材料和结构相近的文献 中的 N曲
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线，如图 所示，其中， N为试件发生破坏时的疲劳循环次数。
5结束语
本文使用基于高精度活塞温度测量装置所建立的完整分析方法对某型柴油机活塞的强度及疲劳寿命进行了校核分析，结果表明，该分析方法可靠实用、简便有效，能准确校核活塞强度和预测疲劳寿命。
参考文献