CN116882157B - 一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 - Google Patents
一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116882157B CN116882157B CN202310823942.9A CN202310823942A CN116882157B CN 116882157 B CN116882157 B CN 116882157B CN 202310823942 A CN202310823942 A CN 202310823942A CN 116882157 B CN116882157 B CN 116882157B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- steel piston
- pin hole
- piston pin
- piston
- rod assembly
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 157
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 157
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 75
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 49
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 49
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 claims abstract description 47
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 23
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 22
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 19
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 15
- 230000035882 stress Effects 0.000 claims description 13
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 9
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 6
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 6
- 238000004880 explosion Methods 0.000 claims description 5
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 3
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 claims description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 2
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 claims 1
- 238000012356 Product development Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 20
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 8
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000010687 lubricating oil Substances 0.000 description 2
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N alumanylidynesilicon Chemical compound [Al].[Si] CSDREXVUYHZDNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/04—Ageing analysis or optimisation against ageing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于CAE的钢活塞销孔‑销摩擦副型线的设计方法，包括：根据钢活塞连杆组件的三维实体模型建立不同的仿真模型；通过试验、理论相结合确定仿真模型的边界条件及正确性；计算活塞连杆组件的热机耦合应变，提取活塞销变形量，设计销孔型线；通过仿真模型对钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性进行分析，验证钢活塞销孔‑销摩擦副型线的设计方案是否可行。本发明能除去实物样机加工的时间，提高了产品开发的效率，同时综合考虑了钢活塞销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性等多个性能指标，能更合理的设计出钢活塞销孔‑销摩擦副的结构参数，本发明能够减少了试算方案的数量，缩短了产品研发周期和成本。
Description
技术领域
本发明属于发动机设计分析领域，具体涉及一种基于CAE的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法。
背景技术
随着柴油机热效率的不断提升，活塞顶面最高温度达到400℃以上、缸内最大爆发压力达到20～22MPa以上，现有铝合金活塞受到铝硅合金材料强度本身的限制，已经不能满足柴油机高强化指标的性能要求。钢活塞以其较强的耐高温性能及较高的强度特性逐渐成为高强化柴油机活塞的首选。
钢材质与铝合金材料相比，其密度较大，导致钢活塞销孔与活塞销接触时大幅度增加接触压力，从而使销孔轴承的润滑性能和抗疲劳性能降低。同时钢活塞与活塞销均属于钢铁材质，两者金相组织接近，在微观上更容易发生分子间的相互作用，尤其是在高温和交变载荷的作用下，易发生活塞销与钢活塞的销孔咬合失效。因此，在钢活塞销孔-销摩擦副设计时，不仅要保证有足够的承载面积，减少接触应力，而且还要设计足够的配合间隙，以保证能建立足够的润滑油膜厚度，这对钢活塞销孔-销摩擦副的设计方法提出了很高的要求。
目前，活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法一般分为两种，第一种为试验法，当柴油机整机试验后，根据活塞销孔实际的磨损情况进行销孔型线的设计和优化；第二种为仿真分析法，一般通过经验公式和机型类比的方式，设计和优化销孔型线，然后通过仿真分析的方法，对销孔型线进行单一性能指标的评判，最后确定销孔型线方案。
中国专利CN115292825 A公开了一种活塞销孔形线设计优化方法，利用非整数次幂幂函数曲线等设计优化销孔形线，能够满足高爆压下销孔承载面的均压分布，有利于销孔楔形润滑油膜的形成，销孔接触压力能够降低10％-15％。但是，上述专利只针对活塞销孔型线设计优化方法进行了阐述，没有对销孔型线设计优化后的柴油机多性能指标进行评判。
中国专利CN111611713 A公开了一种基于CAE仿真技术的柴油机气缸盖设计分析方法，通过CAE仿真手段对柴油机气缸盖的结构进行高周疲劳与低周疲劳设计分析。但是，上述专利没有说明柴油机气缸盖的设计方法，并且只从疲劳特性的角度对柴油机气缸盖的设计方案进行了评判。
总之，现有技术主要存在以下不足：
(1)采用试验法对销孔型线进行设计和优化时，就必须要等实物样机完成后，才能在柴油机试验台架上开展销孔型线的设计和优化，同时设计修改和优化都极为繁琐，每修改一次销孔型线都要重新做一次柴油机整机试验，加大了产品的研发周期和研发成本。
(2)现有的钢活塞销孔-销摩擦副型线设计方法并不完善，销孔型线大多采用机型类比的方式进行设计和优化，这样就会导致设计的销孔型线不是该机型的最优型线，同时这种销孔型线的设计方式，会增加大量的试算方案，降低了仿真计算效率。
(3)采用仿真分析法对销孔型线进行设计和优化时，销孔型线方案多会采用单一性能指标进行评判，这就有可能会导致销孔型线方案以降低其它柴油机性能指标为代价来提升单一性能指标，降低了柴油机整体的使用性能。
因此，需要提供一种新的钢活塞销孔-销摩擦副型线设计方法给予解决以上问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述的不足，提供一种基于CAE仿真分析的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法，能够解决钢活塞销孔-销摩擦副在设计过程中耗时长，成本高的问题，通过本发明的设计方法，可以大幅度缩短钢活塞销孔-销摩擦副的研发周期，降低研发成本，同时本发明的设计方法还具有较高的移植性，可用于发动机其它零部件的设计研发。
具体的，本发明是这样实现的：
一种基于CAE的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法，包括如下步骤：
步骤1，对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行前处理
步骤1.1：运用建模软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行满足计算精度的几何处理，删除模型中3mm以下的倒角和倒圆，提高计算效率；
步骤1.2：运用划分软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行有限元网格划分，划分区域包括活塞、活塞销和连杆，网格类型为四面体网格。
步骤2，根据前处理后的三维实体模型建立不同的CAE仿真模型，仿真模型的建立包括：
步骤2.1，建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型；
步骤2.2，建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型；
步骤2.3，建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型；
步骤3，通过试验、理论相结合的方法确定CAE仿真模型的边界条件及仿真模型的正确性，所述试验包括：活塞温度场试验和缸内燃气压力试验，活塞温度场试验用于标定和验证钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，缸内燃气压力试验用于确定钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型的边界条件；所述理论为传热理论、热弹性力学理论、疲劳损伤累计理论和混合润滑理论，理论公式用于将CAE仿真模型参数化；
步骤4，通过热机耦合仿真模型，对钢活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算，然后提取活塞销变形量，设计销孔型线；
步骤5，通过CAE仿真模型对钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性进行分析，验证钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案是否可行；
步骤6：如果钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案可行，则直接输出活塞销孔型线设计方案，反之，根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线，重复步骤1至步骤6。
进一步地，在步骤2.1中，所述建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型包括：
步骤2.1.1，通过传热理论计算出钢活塞的第三类热边界条件，得到活塞各区域的表面温度和换热系数；
步骤2.1.2，设置材料属性和各部件接触形式，计算活塞温度场仿真值，并与活塞温度场试验结果值做对比，标定并验证钢活塞连杆组件传热仿真模型；
步骤2.1.3，对钢活塞施加最大燃气爆发压力和约束位置，建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，计算钢活塞热机耦合应力、应变。
进一步地，在步骤2.2中，所述建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型包括：
步骤2.2.1，提取钢活塞热应力和热机耦合应力作为疲劳分析的载荷步；
步骤2.2.2，设置钢活塞的材料疲劳属性，建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型，用于钢活塞销孔轴承疲劳特性的计算。
进一步地，在步骤2.3中，所述建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型包括：
步骤2.3.1，提取钢活塞销孔热机耦合应变作为销孔润滑特性分析的初始型线；
步骤2.3.2，通过缸内燃气压力试验，得到活塞一个循环周期的缸压曲线，作为润滑特性分析的载荷；
步骤2.3.3，由于销孔轴承采用飞溅润滑的供油方式，供油量不确定，所以通过压力润滑的供油方式，用一个大气压的供油压力对销孔轴承的飞溅润滑进行数值模拟；
步骤2.3.4，建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型，用于钢活塞销孔轴承润滑特性的计算。
进一步地，在步骤4中，所述设计销孔型线包括：
步骤4.1，通过热机耦合仿真模型，对活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算；
步骤4.2，任意选择活塞销左右两端面中的一端面，提取该端面最外圆周向上各个点的Y轴(U2)和Z轴(U3)方向上的变形量，然后将各个点的两个轴向变形量拟合成周向变形量，最后根据各个点的周向变形量，判断活塞销的失圆变形情况，选择合理的椭圆度，设计销孔型线的椭圆度；
步骤4.3，提取活塞销最上端X轴方向上各个点的Z轴方向上的变形量，然后根据各个点的Z轴方向上的变形量，判断活塞销的弯曲变形情况，最后在销孔内侧三分之一处和销孔外侧四分之一处，选择合适的直径增量，来匹配活塞销的弯曲变形，再结合椭圆度，设计出最终的销孔型线。
进一步地，在步骤5中，所述钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度的表征参数为温度场和热机耦合应力；所述钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数为安全系数和疲劳寿命次数；所述钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数为最小油膜厚度、最大油膜压力和膜厚比。
更进一步地，所述钢活塞销孔轴承结构强度、刚度的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞整体温度场的温度差异越小越好，且温度场的最高温度值越低越好；
(2)钢活塞销孔轴承热机耦合应力的最大值越小越好。
更进一步地，所述膜厚比计算公式为：
λ＝h/ss (1)
式中：λ为膜厚比，h为最小油膜厚度，σs为表面粗糙度。
更进一步地，所述钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞销孔各区域的安全系数应高于1.2；
(2)钢活塞整体区域的最小疲劳循环次数应大于107次。
更进一步地，所述钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞销孔轴承最小油膜厚度的最小值越大越好；
(2)钢活塞销孔轴承最大油膜压力的最大值越小越好；
(3)钢活塞销孔轴承的膜厚比越大越好，最好膜厚比大于1，膜厚比小于1为边界润滑，大于1为混合润滑，大于4为流体润滑。
更进一步地，在步骤6中，所述根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线包括：
(1)当钢活塞销孔区域的安全系数小于1.2或最小疲劳循环次数小于107次时，应查看销孔该区域的热机耦合应变，同时与该区域对应的活塞销区域的热机耦合应变进行对比，通过差值调整合适的销孔直径增量；
(2)当钢活塞销孔轴承的膜厚比小于1，处于边界润滑时，应适当增加销孔轴承间隙和减少销孔表面粗糙度。
进一步地，所述钢活塞销孔-销摩擦副型线设计分析的CAE仿真软件为UGNX、HYPERMESH、ABAQUS、FESAFE和EXCITE Power&unit。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)本发明提出的一种基于CAE仿真分析的钢活塞销孔-销摩擦副型线设计方法是采用试验、理论和仿真相结合的手段，既能在仿真模型的搭建中为活塞销孔轴承提供更加真实的运行工况，提高计算精度，又能除去实物样机加工的时间，提高了产品开发的效率；
(2)本发明提出的一种基于CAE仿真分析的钢活塞销孔-销摩擦副型线设计方法综合考虑了钢活塞销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性等多个性能指标，能更合理的设计出钢活塞销孔-销摩擦副的结构参数，同时能保证在不降低柴油机整体性能的情况下，提升活塞销孔轴承的性能；
(3)本发明提出的一种基于CAE仿真分析的钢活塞销孔-销摩擦副型线设计方法阐述了活塞销孔型线的设计方法，对比采用经验公式和机型类比的销孔型线设计和优化方法，能更加准确的找出销孔型线的最优解，同时还能减少试算方案的数量，能大大缩短产品的研发周期和研发成本。
附图说明
图1为本发明的设计方法的总体流程图。
图2为本发明的设计方法的流程图。
图3为钢活塞连杆组件的三维实体模型图，图中：1-活塞、2-活塞销孔、3-活塞销、4-连杆。
图4为EXCITE Power&unit软件中钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型的结构单元组成图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面以某款四缸柴油机钢活塞销孔-销摩擦副设计方法为例进行说明。
参见图1，本发明的设计方法包括如下步骤：
步骤一：对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行前处理工作；
步骤二：根据前处理后的三维实体模型建立不同的CAE仿真模型；
步骤三：通过试验、理论相结合的方法确定CAE仿真模型的边界条件及仿真模型的正确性；
步骤四：通过热机耦合仿真模型，对活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算，然后提取活塞销变形量，设计销孔型线；
步骤五：通过CAE仿真模型对钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性进行分析，验证钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案是否可行；
步骤六：如果钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案可行，则直接输出活塞销孔型线设计方案，反之，根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线，重复上述步骤。
参见图2和图3，各模型的建立包括：
(一)钢活塞连杆组件的三维实体模型前处理工作，包括如下步骤：
步骤一：运用建模软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行满足计算精度的几何处理，即删除模型中3mm以下的倒角和倒圆，提高计算效率；
步骤二：运用划分软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行有限元网格划分，划分区域包括活塞、活塞销和连杆，网格类型为四面体网格。
(二)通过前处理后的钢活塞连杆组件三维实体模型建立不同的CAE仿真模型，仿真模型包括：钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型、钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型和钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型。
(三)试验包括：活塞温度场试验和缸内燃气压力试验，活塞温度场试验用于标定和验证钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，缸内燃气压力试验用于确定钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型的边界条件；理论为传热理论、热弹性力学理论、疲劳损伤累计理论和混合润滑理论，理论公式用于将CAE仿真模型参数化。
(四)钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型的建立，包括如下步骤：
步骤一：通过传热理论计算出钢活塞的第三类热边界条件，即活塞各区域的表面温度和换热系数；
步骤二：设置材料属性和各部件接触形式，计算活塞温度场仿真值，并与活塞温度场试验结果值做对比，标定并验证钢活塞连杆组件传热仿真模型；
步骤三：对钢活塞施加最大燃气爆发压力和约束位置，建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，计算钢活塞热机耦合应力、应变。
(五)销孔型线的设计，包括如下步骤：
步骤一：通过热机耦合仿真模型，对活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算；
步骤二：任意选择活塞销左右两端面中的一端面，提取该端面最外圆周向上各个点的Y轴(U2)和Z轴(U3)方向上的变形量，然后将各个点的两个轴向变形量拟合成周向变形量，最后根据各个点的周向变形量，判断活塞销的失圆变形情况，选择合理的椭圆度，设计销孔型线的椭圆度；
步骤三：提取活塞销最上端X轴方向上各个点的Z轴方向上的变形量，然后根据各个点的Z轴方向上的变形量，判断活塞销的弯曲变形情况，最后在销孔内侧三分之一处和销孔外侧四分之一处，选择合适的直径增量，来匹配活塞销的弯曲变形，再结合椭圆度，设计出最终的销孔型线。
(六)钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型的建立，包括如下步骤：
步骤一：提取钢活塞热应力和热机耦合应力作为疲劳分析的载荷步；
步骤二：设置钢活塞的材料疲劳属性，建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型，用于钢活塞销孔轴承疲劳特性的计算。
如图4所示，采用EXCITE Power&unit软件构建钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型，包括如下步骤：
步骤一：提取钢活塞销孔热机耦合应变作为销孔润滑特性分析的初始型线；
步骤二：通过缸内燃气压力试验，得到活塞一个循环周期的缸压曲线，作为润滑特性分析的载荷；
步骤三：由于销孔轴承采用飞溅润滑的供油方式，供油量不确定，所以通过压力润滑的供油方式，用一个大气压的供油压力对销孔轴承的飞溅润滑进行数值模拟；
步骤四：建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型，用于钢活塞销孔轴承润滑特性的计算。
优选地，钢活塞销孔轴承结构强度、刚度的表征参数为温度场和热机耦合应力；钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数为安全系数和疲劳寿命，安全系数不仅可以对活塞的整体疲劳强度性能进行评判，同时还可以根据活塞各个区域安全系数的大小看出活塞最易损坏的区域，加强对其优化。而疲劳寿命则能直接反映出活塞疲劳特性的好坏；钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数为最小油膜厚度、最大油膜压力和膜厚比，最小油膜厚度和最大油膜压力可以直接反映出活塞销孔轴承润滑特性的好坏，而膜厚比可以判断出活塞销孔轴承的润滑形式。
优选地，钢活塞销孔轴承结构强度、刚度的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞整体温度场的温度差异越小越好，且温度场的最高温度值越低越好；
(2)钢活塞销孔轴承热机耦合应力的最大值越小越好。
优选地，膜厚比计算公式为：
λ＝h/ss(1)
式中λ为膜厚比，h为最小油膜厚度，σs为表面粗糙度。
优选地，钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞销孔各区域的安全系数应高于1.2；
(2)钢活塞整体区域的最小疲劳循环次数应大于107次。
优选地，钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数评估标准包括：
(1)钢活塞销孔轴承最小油膜厚度的最小值越大越好；
(2)钢活塞销孔轴承最大油膜压力的最大值越小越好；
(3)钢活塞销孔轴承的膜厚比越大越好，最好膜厚比大于1，膜厚比小于1为边界润滑，大于1为混合润滑，大于4为流体润滑。
优选地，根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线,包括如下：
(1)当钢活塞销孔区域的安全系数小于1.2或最小疲劳循环次数小于107次时，应查看销孔该区域的热机耦合应变，同时与该区域对应的活塞销区域的热机耦合应变进行对比，通过差值调整合适的销孔直径增量；
(2)当钢活塞销孔轴承的膜厚比小于1，处于边界润滑时，应适当增加销孔轴承间隙和减少销孔表面粗糙度。
优选地，钢活塞销孔-销摩擦副型线设计分析的CAE仿真软件为UG NX、HYPERMESH、ABAQUS、FESAFE和EXCITE Power&unit。
Claims (9)
1.一种基于CAE的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行前处理，包括：
步骤1.1，运用建模软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行满足计算精度的几何处理，删除模型中3mm以下的倒角和倒圆，提高计算效率；
步骤1.2，运用划分软件对钢活塞连杆组件的三维实体模型进行有限元网格划分，划分区域包括活塞、活塞销和连杆，网格类型为四面体网格；
步骤2，根据前处理后的三维实体模型建立不同的CAE仿真模型，仿真模型的建立包括：
步骤2.1，建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型；
步骤2.2，建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型；
步骤2.3，建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型；
步骤3，通过试验、理论相结合的方法确定CAE仿真模型的边界条件及仿真模型的正确性，所述试验包括：活塞温度场试验和缸内燃气压力试验，活塞温度场试验用于标定和验证钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，缸内燃气压力试验用于确定钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型的边界条件；所述理论为传热理论、热弹性力学理论、疲劳损伤累计理论和混合润滑理论，理论公式用于将CAE仿真模型参数化；
步骤4，通过热机耦合仿真模型，对钢活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算，然后提取活塞销变形量，设计销孔型线包括：
步骤4.1，通过热机耦合仿真模型，对活塞连杆组件进行热机耦合仿真计算；
步骤4.2，任意选择活塞销左右两端面中的一端面，提取该端面最外圆周向上各个点的Y轴和Z轴方向上的变形量，然后将各个点的两个轴向变形量拟合成周向变形量，最后根据各个点的周向变形量，判断活塞销的失圆变形情况，选择合理的椭圆度，设计销孔型线的椭圆度；
步骤4.3，提取活塞销最上端X轴方向上各个点的Z轴方向上的变形量，然后根据各个点的Z轴方向上的变形量，判断活塞销的弯曲变形情况，最后在销孔内侧三分之一处和销孔外侧四分之一处，选择合适的直径增量，来匹配活塞销的弯曲变形，再结合椭圆度，设计出最终的销孔型线；
步骤5，通过CAE仿真模型对钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性进行分析，验证钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案是否可行；
步骤6，如果钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方案可行，则直接输出活塞销孔型线设计方案，反之，根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线，重复步骤1至步骤6。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤2.1中，所述建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型包括：
步骤2.1.1，通过传热理论计算出钢活塞的第三类热边界条件，得到活塞各区域的表面温度和换热系数；
步骤2.1.2，设置材料属性和各部件接触形式，计算活塞温度场仿真值，并与活塞温度场试验结果值做对比，标定并验证钢活塞连杆组件传热仿真模型；
步骤2.1.3，对钢活塞施加最大燃气爆发压力和约束位置，建立钢活塞连杆组件热机耦合仿真模型，计算钢活塞热机耦合应力、应变。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，在步骤2.2中，所述建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型包括：
步骤2.2.1，提取钢活塞热应力和热机耦合应力作为疲劳分析的载荷步；
步骤2.2.2，设置钢活塞的材料疲劳属性，建立钢活塞连杆组件疲劳寿命预测模型，用于钢活塞销孔轴承疲劳特性的计算。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，在步骤2.3中，所述建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型包括：
步骤2.3.1，提取钢活塞销孔热机耦合应变作为销孔润滑特性分析的初始型线；
步骤2.3.2，通过缸内燃气压力试验，得到活塞一个循环周期的缸压曲线，作为润滑特性分析的载荷；
步骤2.3.3，由于销孔轴承采用飞溅润滑的供油方式，供油量不确定，所以通过压力润滑的供油方式，用一个大气压的供油压力对销孔轴承的飞溅润滑进行数值模拟；
步骤2.3.4，建立钢活塞连杆组件弹性流体动力学仿真模型，用于钢活塞销孔轴承润滑特性的计算。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，所述钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度的表征参数为温度场和热机耦合应力；所述钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数为安全系数和疲劳寿命次数；所述钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数为最小油膜厚度、最大油膜压力和膜厚比。
6.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述钢活塞销孔轴承的结构强度、刚度的表征参数评估标准包括：
（1）钢活塞整体温度场的温度差异越小越好，且温度场的最高温度值越低越好；
（2）钢活塞销孔轴承热机耦合应力的最大值越小越好。
7.根据权利要求5所述的设计方法，其特征在于：
所述膜厚比计算公式为：
，式中：λ为膜厚比，h为最小油膜厚度，σ s 为表面粗糙度；
所述钢活塞销孔轴承疲劳特性的表征参数评估标准包括：
（1）钢活塞销孔各区域的安全系数高于1.2；
（2）钢活塞整体区域的最小疲劳循环次数大于107次。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于，所述钢活塞销孔轴承润滑特性的表征参数评估标准包括：
（1）钢活塞销孔轴承最小油膜厚度的最小值越大越好；
（2）钢活塞销孔轴承最大油膜压力的最大值越小越好；
（3）钢活塞销孔轴承的膜厚比越大越好。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，在步骤6中，所述根据销孔轴承结构强度、刚度、疲劳特性和润滑特性的表征参数调整销孔型线包括：
（1）当钢活塞销孔区域的安全系数小于1.2或最小疲劳循环次数小于107次时，应查看销孔该区域的热机耦合应变，同时与该区域对应的活塞销区域的热机耦合应变进行对比，通过差值调整合适的销孔直径增量；
（2）当钢活塞销孔轴承的膜厚比小于1，处于边界润滑时，应适当增加销孔轴承间隙和减少销孔表面粗糙度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310823942.9A CN116882157B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310823942.9A CN116882157B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116882157A CN116882157A (zh) | 2023-10-13 |
| CN116882157B true CN116882157B (zh) | 2024-05-31 |
Family
ID=88256140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310823942.9A Active CN116882157B (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116882157B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001191336A (ja) * | 2000-01-07 | 2001-07-17 | Canon Inc | 金型設計装置と金型形状の設計方法 |
| CN101625711A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种优化活塞裙部型线的方法 |
| CN110188438A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-30 | 安徽江淮汽车集团股份有限公司 | 活塞热机疲劳分析方法、设备、存储介质及装置 |
| CN110750936A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-02-04 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种确定销孔型线的方法及装置 |
| CN111027239A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-17 | 滨州渤海活塞有限公司 | 一种活塞的有限元分析方法 |
| CN111611713A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-01 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种基于cae仿真技术的柴油机气缸盖设计分析方法 |
| CN115292825A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-11-04 | 滨州渤海活塞有限公司 | 活塞销孔形线设计优化方法 |
| CN115455612A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-09 | 重庆长安汽车股份有限公司 | 一种活塞火力岸型线设计方法、系统及电子设备 |
-
2023
- 2023-07-06 CN CN202310823942.9A patent/CN116882157B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001191336A (ja) * | 2000-01-07 | 2001-07-17 | Canon Inc | 金型設計装置と金型形状の設計方法 |
| CN101625711A (zh) * | 2009-08-05 | 2010-01-13 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种优化活塞裙部型线的方法 |
| CN110188438A (zh) * | 2019-05-22 | 2019-08-30 | 安徽江淮汽车集团股份有限公司 | 活塞热机疲劳分析方法、设备、存储介质及装置 |
| CN111027239A (zh) * | 2019-11-13 | 2020-04-17 | 滨州渤海活塞有限公司 | 一种活塞的有限元分析方法 |
| CN110750936A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-02-04 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种确定销孔型线的方法及装置 |
| CN111611713A (zh) * | 2020-05-22 | 2020-09-01 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种基于cae仿真技术的柴油机气缸盖设计分析方法 |
| CN115292825A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-11-04 | 滨州渤海活塞有限公司 | 活塞销孔形线设计优化方法 |
| CN115455612A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-09 | 重庆长安汽车股份有限公司 | 一种活塞火力岸型线设计方法、系统及电子设备 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 汽油机活塞热机耦合分析及其试验研究;张云飞;中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑;第C039-32页 * |
| 用润滑理论进行活塞裙部型线设计计算;熊仕涛 等;武汉交通科技大学学报;第556-558页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116882157A (zh) | 2023-10-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN112668217B (zh) | 基于设计型线的主轴承液体动力润滑的分析方法及装置 | |
| CN116882157B (zh) | 一种基于cae的钢活塞销孔-销摩擦副型线的设计方法 | |
| CN101710354B (zh) | 一种对低速柴油机气缸套进行形状优化的方法 | |
| Lapp et al. | Advanced connecting rod design for mass optimization | |
| Athavale et al. | Studies on some modelling aspects in the finite element analysis of small gasoline engine components | |
| Gongzhi et al. | Crankshaft dynamic strength analysis for marine diesel engine | |
| CN104102786A (zh) | 一种高效快速优化的曲轴三维动力学分析方法 | |
| Liang et al. | Investigation on cylinder bore deformation under static condition based on fourier decomposition | |
| Bulut et al. | Stress and deformation analysis of a connecting rod by using ANSYS | |
| Patil et al. | Thermo-mechanical analysis of crankcase | |
| Ali et al. | Static and thermal analysis of piston with different thermal coatings | |
| Ramani et al. | FE-Analysis of Connecting Rod of IC Engine by Using Ansys for Material Optimization | |
| Bagde et al. | Finite Element Analysis of Single Cylinder Engine Crank Shaft | |
| Abramchuk et al. | Prospects of using steel pistons in transport diesel engines | |
| McClure et al. | A simplified piston secondary motion model considering the dynamic and static deformation of piston skirt and cylinder bore in internal combustion engines | |
| Mahmoudi | Thermo-Mechanical Analysis of a Typical Vehicle Engine Using PTC-Creo | |
| Pietrykowski | FEM analysis of the opposed-piston aircraft engine block | |
| Prakash et al. | Optimization of Connecting Rod for Weight Reduction by Finite Element Analysis | |
| MAGRYTA et al. | Optimizing the geometry of the connecting rod in opposite pistons engine | |
| Changming et al. | The investigation of self-balanced property and vibration on the particular crankshaft system for an opposed piston engine | |
| Luo et al. | Fatigue Analysis of Engine Connecting Rod Based on Finite Element Method | |
| Jonafark et al. | Computer Aided Design and Analysis of Crankshaft for Diesel Engine | |
| Louvigny et al. | Advanced engine dynamics using MBS: Application to twin-cylinder boxer engines | |
| Guo | Fatigue Strength Detection Method for Crankshaft of Vehicle Internal Combustion Engine Based on Dynamics | |
| Chen et al. | Reliability analysis on the key components of high-power low-speed diesel engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |