基于材料替换与结构优化的压缩机活塞轻量化设计

曹火光¹，邵佳丰²

(1.固耐重工（苏州）有限公司，江苏 苏州 215400)

(2.东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)

基金项目：太仓市产业前瞻与共性关键技术项目(TC2018GY17)

作者简介：曹火光（1984—），男，工程师，主要研究方向为机械结构设计及优化、流体动力学等，fredcao2003@163.com.

摘要：针对某压缩机活塞，采用材料替换和结构优化的方法对其进行轻量化设计。首先利用SolidWorks三维软件建立活塞三维模型，将材料替换为7075铝合金，然后利用SolidWorks Simulation有限元分析方法对活塞进行静力学分析和模态分析。针对材料替换后活塞刚度不足的问题，采用增添加强部件的方法进行结构优化。结果表明，在力学性能不低于初始活塞的前提下，轻量化后活塞质量从834.31 kg降至479.37 kg，减重比例达到42.54%。

关键词：压缩机活塞；材料替换；轻量化；有限元分析

中图分类号：TH457   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0001-04

作为压缩机的关键部件，活塞设计质量的好坏直接影响整机的性能^［1］。若活塞的强度、刚度达不到要求，则难以保证压缩机稳定运行；若为了强度与刚度要求单纯增加材料厚度，则会导致活塞质量增加，增大制造成本与能源消耗。因此，在满足力学性能要求的条件下，对活塞进行轻量化设计便十分关键^［2］。目前轻量化设计主要有两种方式，一种是依靠疲劳强度理论进行结构优化设计，尽可能地发挥结构的强度潜力，减少材料的使用，从而减轻质量；另一种则是通过使用高性能轻量化材料替换原材料来减轻质量^［3］。

国内外学者对轻量化设计方法展开了大量研究。霍心达等^［4］基于变密度法拓扑优化设计技术对发动机活塞进行结构优化设计，在材料不变的情况下质量减轻6.471%；冯金芝等^［5］通过材料替换和结构改进设计了一种轻量化镁合金副车架；何龙军等^［6］采用材料替换和尺寸优化对汽车发动机罩盖进行轻量化设计；王雷等^［7］利用响应面分析与多目标优化方法对某机床立柱进行优化，得到的优化模型质量降低7.2%。

本文在上述研究的基础上，以压缩机活塞为研究对象，首先采用材料替换的方法对其进行轻量化设计，在此基础上利用有限元分析方法对活塞的强度、刚度和振动特性进行分析，最后对使用轻量化材料后的活塞进行结构优化，使其满足力学性能要求。

1 轻量化材料的选取

轻量化设计流程示意图如图1所示，首先需要进行材料替换，初始的压缩机活塞使用的材料是Q345，对其进行轻量化设计时需要选用更加轻质的材料进行替换。7075铝合金又称高强或超强铝合金，具有强度高、韧性好、密度低等优点，广泛应用于航空航天、军工、机械设备等领域，是理想的活塞轻量化材料^［8］。Q345与7075铝合金的材料特性见表1。