CN110222397A - 一种基于热流分配控制的活塞设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热流分配控制的活塞设计方法，具体包括以下步骤：发动机性能计算，确定换热边界条件，进行活塞温度场预估，进行热流分配分析，建立各个设计目标的评价函数，对活塞结构进行热流控制设计；建立多目标优化评价模型，建立针对活塞整体温度场热流分配控制结果的满意度评价模型，确定最终活塞结构方案。对得到的新结构活塞进行温度场测试及热冲击可靠性验证试验，确认是否达到使用要求。本发明的优点在于：可以和应力流设计方法同步进行，同时考虑活塞各个关键区域易出现的热问题，统筹进行活塞整体热流分配控制设计，设计结果更为可靠。
Description
技术领域
本发明涉及发动机的活塞设计技术领域，特别涉及一种从热流分 配控制角度进行高强化、高功率密度柴油机活塞结构设计的方法。
背景技术
活塞作为内燃机动力设备的核心零部件，工作的时候不仅承受燃 烧室内巨大的爆发压力载荷，而且活塞顶面直接与燃烧室内的高温燃 气直接接触，工作温度很高，高温严苛的工作环境对活塞的可靠性设 计提出了很高的要求。而功率密度的提升往往伴随着燃烧室内爆发压 力及燃气温度的显著提高，活塞顶面温度可高达400℃，甚至更高。随 着活塞工作温度的升高，传统活塞的整体温度场也会随之升高，如果 在活塞结构设计过程中不对热流分配进行控制，会导致活塞在工作过 程中出现一系列热问题。首先活塞头部材料的强度在高温下难以保证， 其次第一环槽等长期与润滑油接触的地方会更容易产生结焦，另外活 塞整体的热膨胀变形会更大，导致活塞与缸套之间摩擦增加甚至卡死 等。因此，为了保证活塞能够在恶劣的环境下可靠地工作，除了需要 保证活塞承力结构的合理性，还要对活塞整体的热流分配进行控制设 计。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于热流分配控制的活 塞设计方法，能有效的解决发动机强化后活塞热负荷增加带来的一系 列热问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于热流分配控制的活塞设计方法，具体包括以下步骤：
步骤一，根据强化工况参数进行发动机性能计算，结合相关经验 公式确定换热边界条件，利用有限元计算软件进行活塞温度场预估， 并对原结构活塞进行热流分配分析。
步骤二，针对活塞关键区域功能要求，确定多个设计目标及目标 可行域，并建立各个设计目标的评价函数。
所述关键部位功能要求主要包括顶面材料高温强度、第一环槽温 度、活塞裙部温度、活塞散热量、活塞质量。
步骤三，根据各个关键区域设计目标及目标可行域，对活塞结构 进行热流控制设计。
步骤四，根据各热流控制结构的结构参数对热流传递的影响规律， 通过正交设计、极差分析、显著性分析对活塞整体热流控制结构进行 组合、优化，得到多个方案。
步骤五，针对步骤四得到的整体活塞结构方案进行活塞整体温度 场热流分配评估，建立多目标优化评价模型。
步骤六，给步骤二中各个目标评价函数分配权值，将多目标问题 转换为单目标问题，建立针对活塞整体温度场热流分配控制结果的满 意度评价模型。
步骤七，根据整体满意度评价模型选出热流分配控制最优方案， 结合应力流设计方案，确定最终适用于高强化、高功率密度发动机的 活塞结构方案。
步骤八，对得到的新结构活塞进行温度场测试及热冲击可靠性验 证试验，如果试验结果未达到使用要求，则重新回到步骤三；如果试 验结果满足使用要求，则完成活塞结构设计。
进一步地，步骤二中根据活塞第一环槽处的润滑油结焦特性、活 塞裙部的润滑油黏温特性、燃气与活塞顶面的换热量大小、活塞整体 的往复惯性力等分别确定活塞第一环槽温度、活塞裙部温度、活塞散 热量、活塞质量因素设计热流控制可行域及建立相应的评价函数。
进一步地，所述步骤三中热流控制设计包括：采用气隙、隔热垫 技术增加热阻；采用耐热钢、钛合金高温合金作为活塞顶部材料；活 塞底部采用喷油冲击冷却。
与现有技术相比本发明的优点在于：
本发明的设计方法可以和应力流设计方法同步进行，两种方法可 以及时互相验证、互相校正，缩短设计时间；同时本发明的设计方法 可以同时考虑活塞各个关键区域易出现的热问题，统筹进行活塞整体 热流分配控制设计，设计结果更为可靠。
说明书附图
图1为本发明设计方法在实施例中应用的技术路线流程图；
图2为原活塞在强化工况下热流分配状况分析；
图3为采用本发明设计方法新设计得到的活塞在强化工况下热流 分配状况分析；
其中，1-原活塞顶面，2-原活塞内腔，3-原活塞销孔，4-原活塞 裙部，5-原活塞油环环槽，6-原活塞第二环槽，7-原活塞环区，8-原 活塞第一环槽，9-原活塞振荡油腔，10-新活塞顶部，11-新活塞定位 圈，12-新活塞中央气隙腔，13-新活塞铝合金主体，14-新活塞内腔， 15-新活塞销孔，16-新活塞连接垫片，17-新活塞连接螺母，18-新活 塞裙部，19-新活塞油环环槽，20-新活塞第二环槽，21-新活塞环区， 22-新活塞第一环槽，23-新活塞环槽镶圈，24-新活塞周向气隙腔，25- 新活塞隔热垫，26-新活塞连接螺栓。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附 图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种面向视频内容智能处理的综合展示系统
步骤一，针对某型大功率柴油发动机铝合金活塞，根据使用要求 确定其强化后的工况参数，并通过发动机性能计算获得换热边界条件， 对原机铝合金结构活塞进行过热流分配分析，如图2所示。
步骤二，选取活塞顶面材料高温强度、第一环槽温度、活塞裙部 温度、活塞散热量、活塞质量等五个因素进行设计约束分析，根据设 计使用要求确定上述五个因素的设计目标、约束条件及可行域。
以活塞顶部材料高温强度为例说明：
根据使用要求，活塞顶面最高温度为650℃，活塞顶部材料选用耐 热钢、钛合金等耐高温合金材料。根据所选材料的高温力学性能，确 定活塞顶面材料高温强度满意度评价函数。
以2Cr25Ni20耐热钢顶材料为例：
由2Cr25Ni20耐热钢材料高温力学性能数据拟合得到拉伸屈服强 度-温度关系式：
式中，σ为材料的拉伸屈服强度，t为材料所处的温度环境
根据活塞顶材料强度使用要求：活塞顶面温度为25℃室温时，材 料的拉伸屈服强度最大，认为此时活塞顶面材料高温强度的热流控制 结果满意度为1；随着温度升高，材料力学性能下降，当活塞顶面温度 升高至材料的拉伸屈服强度小于活塞工作所需强度350MPa时，认为此 时活塞顶面材料高温强度的热流控制结果满意度为0。
因此，针对活塞顶材料高温强度的热流控制可行域为：活塞顶材 料高温强度≥350MPa。
由此，根据材料的拉伸屈服强度-温度关系式可以得到0Cr25Ni20 耐热钢顶材料高温强度的热流控制结果的满意度-温度函数：
式中，γ强度表示活塞顶部材料高温强度的热流控制结果的满意度， t为活塞顶面平均温度
进一步的，根据活塞第一环槽处的润滑油结焦特性、活塞裙部的 润滑油黏温特性、燃气与活塞顶面的换热量大小、活塞整体的往复惯 性力等分别确定活塞第一环槽温度、活塞裙部温度、活塞散热量、活 塞质量等因素的热流控制可行域及相应的满意度函数：
针对活塞第一环槽温度的热流控制可行域为：活塞第一环槽温度 ≤325℃。
活塞第一环槽温度的热流控制结果的满意度-温度函数：
式中，γ环槽表示活塞第一环槽温度的热流控制结果的满意度，t为 活塞第一环槽底部平均温度
针对活塞裙部摩擦力的热流控制可行域为：40℃≤活塞裙部温度 ≤250℃。
活塞裙部温度摩擦力的热流控制结果的满意度-温度函数：
式中，γ摩擦表示活塞裙部摩擦力的热流控制结果的满意度，t为活 塞裙部的平均温度
针对活塞散热量的热流控制可行域为：原铝合金活塞顶面最高温 度≤活塞顶面最高温度≤燃气平均温度。
活塞散热量的热流控制结果的满意度-温度函数：
式中，γ散热表示活塞散热量的热流控制结果的满意度，t为活塞顶 面最高温度
针对活塞质量的热流控制可行域为：活塞质量相较于原活塞增重 ≤20％。
活塞质量的热流控制结果的满意度-质量函数：
式中，γ质量表示活塞质量的热流控制结果的满意度，m为活塞的总质量
步骤三，针对步骤二中各个研究目标，进行热流控制结构设计。
活塞整体采用连栓连接的组合方式。
活塞顶采用耐高温材料：42CrMoA结构钢、TC11钛合金、2Gr25Ni20 耐热钢。
活塞顶与铝合金裙部之间添加功能梯度材料隔热垫。
活塞顶与铝合金裙部之间、活塞顶与隔热垫之间采用气隙腔隔热。
活塞顶与铝合金主体接触方式：全接触、半接触、不接触。
活塞顶选用高比强度材料，根据承力需求尽量减小活塞顶壁厚。
去除振荡冷却油腔，对活塞内腔进行冲击冷却设计。
步骤四，根据隔热机理及传热规律的研究，针对活塞顶部材料、 隔热气隙腔半径、隔热片厚度、顶部与主体接触情况四种因素的组合 分析，选用四因素三水平的正交设计。选取的影响因素及各因素选取 的水平值见表1，四因素三水平正交设计表见表2。
表1影响因素及水平值
表2四因素三水平正交设计表L9(34)
步骤五，针对整体活塞结构方案进行活塞整体温度场热流分配评 估，建立多目标优化评价模型：
maxγ＝F[γ强度,γ环槽,γ摩擦,γ散热,γ质量] (7)
式中，γ表示活塞热流控制的总体满意度， γ强度、γ环槽、γ摩擦、γ散热、γ质量分别表示活塞顶部材料高温强度、活 塞第一环槽温度、活塞裙部摩擦力、活塞散热量、活塞质量的热流控 制结果满意度
步骤六，采用专家经验法给步骤五中各个目标函数分配权值，将 多目标问题转换为单目标问题，建立针对该活塞的整体温度场热流分 配控制结果的满意度评价模型：
式中，γ表示活塞热流控制的总体满意度， γ强度、γ环槽、γ摩擦、γ散热、γ质量分别表示活塞顶部材料高温强度、活 塞第一环槽温度、活塞裙部摩擦力、活塞散热量、活塞质量的热流控 制结果满意度
步骤七，针对步骤四中正交设计得到的九种方案，根据整体满意 度评价模型选出热流分配控制最优方案。九种方案满意度计算结果见 表3。
表3正交设计九种热流控制设计方案满意度
热流控制结果满意度最高的为方案九。
活塞顶材料选用2Gr25Ni20耐热钢。
隔热气隙腔半径为44mm。
隔热垫厚度为3mm。
活塞顶部与铝合金裙部全接触。
结合应力流设计要求进行结构优化得到最终活塞结构方案。
新设计得到活塞热流分配状况如图3所示。
步骤八，对设计得到新结构活塞样件进行温度场测试试验及可靠 性验证试验。试验结果表明新结构活塞各关键区域温度可以达到设计 目标要求，且活塞可以通过可靠性考核试验。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮 助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局 限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发 明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变 形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种基于热流分配控制的活塞设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据强化工况参数进行发动机性能计算，结合相关经验公式确定换热边界条件，利用有限元计算软件进行活塞温度场预估，并对原结构活塞进行热流分配分析；
步骤二，针对活塞关键区域功能要求，确定多个设计目标及目标可行域，并建立各个设计目标的评价函数；
所述关键部位功能要求包括顶面材料高温强度、第一环槽温度、活塞裙部温度、活塞散热量、活塞质量；
步骤三，根据各个关键区域设计目标及目标可行域，对活塞结构进行热流控制设计；
步骤四，根据各热流控制结构的结构参数对热流传递的影响规律，通过正交设计、极差分析、显著性分析对活塞整体热流控制结构进行组合、优化，得到多个方案；
步骤五，针对步骤四得到的整体活塞结构方案进行活塞整体温度场热流分配评估，建立多目标优化评价模型；
步骤六，给步骤二中各个目标评价函数分配权值，将多目标问题转换为单目标问题，建立针对活塞整体温度场热流分配控制结果的满意度评价模型；
步骤七，根据整体满意度评价模型选出热流分配控制最优方案，结合应力流设计方案，确定最终适用于高强化、高功率密度发动机的活塞结构方案；
步骤八，对得到的新结构活塞进行温度场测试及热冲击可靠性验证试验，如果试验结果未达到使用要求，则重新回到步骤三；如果试验结果满足使用要求，则完成活塞结构设计。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中根据活塞第一环槽处的润滑油结焦特性、活塞裙部的润滑油黏温特性、燃气与活塞顶面的换热量大小、活塞整体的往复惯性力等分别确定活塞第一环槽温度、活塞裙部温度、活塞散热量、活塞质量因素设计热流控制可行域及建立相应的评价函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中热流控制设计包括：采用气隙、隔热垫技术增加热阻；采用耐热钢、钛合金高温合金作为活塞顶部材料；活塞底部采用喷油冲击冷却。
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