HyperWorks在活塞分析计算中的应用

摘要：活塞作为发动机动力单元的主要组成部分，在动力传输中处于关键核心位置。其结构强度，理论相对疲劳寿命直接影响发动机整体的寿命，对其进行有限元分析与结构优化有着十分重要的现实意义。在以往的有限元分析中，大多只对单个活塞进行有限元分析，而并没有考虑整个动力单元之间的相互影响，本文运用Altair HyperWorks的强大前处理软件HyperMesh建立了活塞，活塞销，连杆整体模型，并对其进行了热固耦合分析以及疲劳寿命分析，采用 HyperView对分析结果进行可视化处理。在此基础上，运用Morph对结构进行了合理的优化，取得了良好的结果。
关键词：Altair HyperWorks,发动机,活塞,结构优化,疲劳寿命

1引言

发动机动力单元主要包括缸套，活塞，活塞环，活塞销，连杆等零件，如图1所示。活塞作为动力单元的关键零部件，工作环境恶劣，受载复杂，其失效将会导致整个发动机系统的失效。因此，本文以内燃机活塞作为研究对象，对其进行结构强度分析具有十分重要的现实意义。在活塞温度计算过程中，充分利用试验分析数据，计算出了活塞的准确温度分布。在此基础上，将活塞所受的热应力与机械应力相结合，得到了准确的活塞应力分布。在疲劳分析的基础上，运用Altair HyperWorks的Morph工具进行了结构优化。在分析计算过程中，HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中发挥了重要的作用。

本文拟采用图 2 所示的有限元分析流程。

2 动力单元（PCU）的有限元分析

2.1 有限元分析模型的建立

为了得到高质量的网格，有必要对模型进行一些几何清理。本文以HyperMesh作为有限元分析前处理软件，对导入的模型进行几何处理。如图3所示为导入时的模型，进行几何清理之后的几何模型如图4所示。

几何清理之后，需要对模型进行网格划分。有限元网格的划分一方面要考虑对各模型几何形状的准确描述，另一方面也要考虑变形梯度的准确描述。划分网格时必须考虑以下原则：网格数量，网格密度，良好的单元形状，良好的剖分过渡性，网格剖分的自适应性。基于以上原则，本文建立了活塞-活塞销-连杆系统有限元分析模型，采用精度比较高的四面体十节点单元，建立的网格模型如图5所示

2.2 活塞温度场分析

分析活塞的实际运行情况以及现在发动机的试验手段，想要得到热分析的第一类热边界条件或者是第二类热边界条件，即使是在已知活塞的边界温度或热流也几乎不可能的，所以本文采用第三类热边界条件分析活塞的温度场，定义了活塞表面与高温燃气和冷却介质之间的对流换热系数、高温燃气以及冷却介质的平均温度。经加载计算，得到活塞的温度场分布，如图6所示，活塞的最高温度为272°C。

2.3 热固耦合分析

活塞在做功行程中，不仅在其顶部受到高温燃气的压力，还受到汽缸壁对活塞的侧推力、连杆的作用力、惯性力以及与活塞销之间的摩擦作用，工作状况非常恶劣。活塞承受的燃气压力与惯性力是周期性变化的，因此，活塞的不同部位受到交变的拉伸、压缩或者弯曲载荷。并且由于活塞各部分的温度及其不均匀，活塞内部产生一定的热应力，所以要求活塞的质量小，热膨胀系数小，导热性小，和耐磨性小。本文中的活塞采用MAHLE公司性能良好的M142铝合金材料。对活塞结构进行有限元分析时，充分考虑了活塞复杂受力情况，如图7所示。

在活塞应力计算过程中，考虑了活塞销孔形线与外圆形线的影响，同时将温度计算结果与机械应力计算结果相耦合，为疲劳寿命分析打下基础。如图8所示为所计算的活塞在运行过程中所受的最大平均应力和应力幅值。

3 疲劳寿命分析

本文采用工程中广泛应用的疲劳分析理论Miner 线性累积损伤理论对活塞结构进行疲劳寿命评估，计算的疲劳寿命如图9所示。活塞的最小相对寿命为0.6。低于MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。

图 9 活塞的寿命分布

4 优化分析

Morph是HyperMesh中用于直接改变模型网格的模块。允许通过有效、合理、可视化的方式改变网格模型，在确保网格质量最优化的前提下实现以下功能：(1) 通过改变零部件网格来改变该零部件几何形状；(2) 参数化的改变零部件网格模型尺寸；(3) 把现有模型网格投影到新的几何形面上；(4) 为形状优化分析创建形状变量。基于Morph网格优化功能，对活塞结构进行优化，燃烧室顶面厚度增加了1 mm。如图10所示为Morph优化之前的网格模型，图11所示为优化之后的结构。

采用与优化活塞结构之前想同的边界条件，计算得出的最大平均应力与应力幅值如图12所示。

疲劳寿命分布如图13所示。最小寿命为4.6。满足MAHLE公司的相对疲劳寿命标准2.5。

5 结论

本文成功应用HyperWorks相关软件对发动机动力单元进行有限元分析，在此基础上应用HyperWorks强大的优化工具Morph对活塞进行结构优化，取得了理想的优化结果。HyperWorks作为一款先进的计算机辅助分析软件，在设计研发中是一个非常有效的工具。