某汽油机活塞热机耦合分析及轻量化研究

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郝 贤¹，张艳岗¹，裴 健¹，郭巨寿^2

(1.中北大学能源动力工程学院，山西 太原 030051)

(2.北方通用动力集团有限公司，山西 大同 037036)

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51605447）；山西省应用基础研究计划项目（201601D021085）

作者简介：郝贤（1995—），男，硕士研究生，主要研究方向为机械结构强度分析及优化，924334930@qq.com.

摘要：随着内燃机排放的要求越来越严格，乘用车汽油机将向高升功率、小型化、增压直喷的方向发展，这对活塞的轻量化研究提出更高的要求和挑战。为进一步对汽油机活塞进行优化设计，综合考虑其温度、强度及结构，针对某汽油机活塞轻量化工程问题，进行了该活塞的参数化设计及热机耦合分析，并基于ISIGHT多岛遗传算法建立优化设计方案。优化结果表明：壁厚从7.00 mm变成6.23 mm，顶厚从7.00 mm变成6.82 mm，火力岸高度从6.30 mm变成6.96 mm，最大应力略有增加，且在材料强度极限内，质量从111.95 g变成101.13 g，总质量减少9.7%，达到了轻量化的目的。

关键词：活塞；热机耦合；多岛遗传算法；轻量化

中图分类号：TK412   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0016-05

活塞作为内燃机重要的零部件之一，与连杆、曲轴等形成曲柄连杆机构，将活塞的往复运动输出为旋转运动^［1］。内燃机工作过程中一方面受高速往复惯性力、侧向压力和摩擦力等周期性的机械负荷^［2-3］，另一方面由于燃烧过程中产生的高温高压气体作用在活塞表面，导致各处温度不均匀从而引起热应力。为保证活塞的高效率以及使用寿命，要求活塞材料强度高且质量轻，而采用现代新型材料存在研发周期长和工艺不成熟等问题，因此尽量减小活塞的质量显得非常重要^［4］。

活塞的主要设计参数包括活塞直径、活塞高度和直径比例H/D、活塞压缩高度、销座间距、销孔直径、活塞环数目及尺寸^［5］。例如美国福特公司研制出了将塑料活塞裙部和常规的铝合金活塞头部连接起来的组合活塞，以减轻活塞的质量^［6］。Sroka^［7］通过改变综合活塞结构使得活塞质量减轻了30%，活塞线速度增加了10%，平均有效压力降低了18%，活塞体能承受的最高工作温度增加了40%。赵波等^［8］通过Altair软件中的HyperOpt优化器对活塞进行优化，但仅考虑了活塞在机械载荷作用下的情况，未考虑热载荷作用。

本文通过参数化建模建立汽油机活塞的三维模型，并应用ANSYS软件进行活塞的热机耦合分析，基于ISIGHT进行6Sigma优化设计，通过对结构参数——火力岸高度、活塞顶部最小厚度以及活塞壁厚进行分析，明确这些参数对活塞轻量化设计的影响，为提升活塞性能提供参考。