馬斌　邵微　陳秉智

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結(jié)果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據(jù)活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數(shù)，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結(jié)果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結(jié)果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結(jié)果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結(jié)果的可靠性.

4 結(jié)束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數(shù)大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結(jié)果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內(nèi)機油對活塞各部分應力的影響，結(jié)果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結(jié)果可信度.

參考文獻：

[1] 吳伋. 6S50MC-C柴油機活塞頭的強度分析[D]. 大連： 大連海事大學， 2010.

[2] 劉波. 軌道交通車輛座椅的靜強度和疲勞強度分析[D]. 長春： 吉林大學， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑靜， 彭旭陽. 基于有限元法的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J]. 重慶大學學報， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吳建華， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空壓機活塞桿斷裂原因的力學分析[J]. 流體機械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 鐘功祥， 張?zhí)旖颍?呂治忠， 等. 鉆井泵活塞動態(tài)分析[J]. 石油礦場機械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 馬欣， 桑東恒， 劉清友. 天然氣站往復式壓縮機活塞失效分析[J]. 管道技術與設備， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭學院. 跨臨界CO2活塞壓縮機活塞的有限元應力及疲勞分析[J]. 流體機械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內(nèi)燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結(jié)果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據(jù)活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數(shù)，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結(jié)果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結(jié)果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結(jié)果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結(jié)果的可靠性.

4 結(jié)束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數(shù)大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結(jié)果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內(nèi)機油對活塞各部分應力的影響，結(jié)果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結(jié)果可信度.

參考文獻：

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[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

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YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

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WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內(nèi)燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）

摘要：針對鐵路運輸向高速重載方向發(fā)展對機車發(fā)動機性能要求不斷提高的問題，為確保柴油發(fā)動機工作的可靠性，對其活塞進行靜強度分析.用HyperMesh建立某柴油發(fā)動機活塞的三維有限元模型，利用ANSYS對其進行有限元分析.綜合考慮熱負荷與機械負荷的耦合作用，確定活塞最大應力和最大應變分布的危險部位.分析結(jié)果可以為鐵路機車柴油發(fā)動機活塞設計提供參考.

關鍵詞：機車； 柴油發(fā)動機； 活塞； 溫度載荷； 接觸； 應力

中圖分類號： U262.11； TB115.1

文獻標志碼：B

0 引 言

活塞是柴油發(fā)動機的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)參數(shù)在很大程度上影響發(fā)動機的可靠性和壽命.在正常工作中，柴油發(fā)動機活塞承受高溫高壓，工作條件惡劣，一旦損壞，可能引起發(fā)動機其他零件的嚴重破壞，甚至影響整個系統(tǒng)運行.因此，有必要對活塞進行強度校核.[1]

本文根據(jù)活塞的幾何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，設置活塞頭與活塞銷座以及螺栓與墊片和活塞銷座之間的接觸對.建模的難點是模擬活塞銷對活塞銷座的非均布壓力，在HyperMesh中以非線性方程的形式向螺栓銷座施加非均布壓力，并用ANSYS進行有限元計算分析.在ANSYS中對模型施加溫度載荷，耦合機械負荷與熱負荷，設置接觸參數(shù)，采用基于接觸的活塞有限元模型校核活塞的靜強度.[2]

結(jié)果表明，在最惡劣的工況下，活塞的靜強度依然符合要求，然而螺栓的工作應力與其屈服強度接近，存在一定的危險.計算結(jié)果可以為活塞設計提供參考.[3]工作中的活塞是運動件，因此對于活塞的靜強度分析，簡化模型的邊界條件可以使分析過程大大簡化，但另一方面也使得計算結(jié)果的可靠性降低.后續(xù)模擬活塞時可以考慮更詳盡地模擬活塞的工作情況[4]，以提高計算結(jié)果的可靠性.

4 結(jié)束語

由強度計算可知，柴油機活塞在各工況下應力值都小于對應部分的條件應力強度，活塞靜強度符合要求.若材料安全因數(shù)大于1.2，則螺栓強度不符合要求，需要換更高強度的螺栓.在有限元分析中，把動態(tài)的部件模擬成靜態(tài)并分析其在最大爆發(fā)壓力和最高溫度同時作用下的應力強度.這樣可簡化分析過程，分析結(jié)果可為活塞設計提供參考.[10]

活塞工作環(huán)境復雜、惡劣，在模擬過程中未考慮氣缸壁對活塞的作用和活塞內(nèi)機油對活塞各部分應力的影響，結(jié)果精確性有待提高，后續(xù)對活塞分析中可以考慮這些因素，以提高結(jié)果可信度.

參考文獻：

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[2] 劉波. 軌道交通車輛座椅的靜強度和疲勞強度分析[D]. 長春： 吉林大學， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑靜， 彭旭陽. 基于有限元法的發(fā)動機曲軸靜強度分析[J]. 重慶大學學報， 2008， 31（9）： 977-981.

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[4] 關振群， 宋洋， 呂軍， 等. 離心壓縮機葉輪靜強度分析方法[J]. 大連理工大學學報， 2011， 51（2）： 157-162.

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[5] 余小玲， 吳建華， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空壓機活塞桿斷裂原因的力學分析[J]. 流體機械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 鐘功祥， 張?zhí)旖颍?呂治忠， 等. 鉆井泵活塞動態(tài)分析[J]. 石油礦場機械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 馬欣， 桑東恒， 劉清友. 天然氣站往復式壓縮機活塞失效分析[J]. 管道技術與設備， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

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WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 溫西朋， 田艦， 王壘， 等. C6190ZLC-A柴油機活塞溫度場有限元分析[J]. 內(nèi)燃機與動力裝置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 內(nèi)燃機活塞溫度場的軸對稱組合邊界元分析[J]. 西南交通大學學報， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（編輯 于杰）