一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法技术

本发明专利技术公开了一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法，包括1)头部结构轻量化，确定头部的原始边界，根据原始边界构建内冷油腔截面形状，对头部进行热机耦合分析，判断头部结构是否满足结构强度刚度要求；2)裙部结构轻量化，确定裙部的设计空间，其次针对裙部位置设置位移约束点，在保留销孔结构、裙部底端的前提下对优化区域进行拓扑优化，将获得的拓扑模型在建模软件进行修正处理，对裙部进行热机耦合分析，判断裙部结构是否满足结构强度、刚度要求；3)对整体的安全系数和疲劳寿命进行校核预测。本发明专利技术能够弥补钢活塞构轻量化设计方法上的空缺，并形成了钢活塞轻量化设计方法评判准则。方法评判准则。方法评判准则。

【技术实现步骤摘要】
一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法


[0001]本专利技术涉及一种柴油机钢活塞结构设计方法，尤其涉及一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法。

技术介绍

[0002]钢活塞凭借自身高强度材质的优势逐渐取代传统的铝合金活塞，成为高强化柴油机活塞的首选。但是，由于钢活塞相比传统的铝合金活塞具有更大的密度，同体积下更重，导致其惯性力远大于铝合金活塞，直接影响发动机的动力性、经济性、排放特性、NVH性能以及曲柄连杆机构相关部件的可靠性，进而影响发动机整机的可靠性。钢活塞轻量化设计是复杂、系统的工程，在实现钢活塞减重的同时，不能以牺牲钢活塞传热、力学性能为代价。
[0003]国外早在上个世纪初就开始对钢活塞轻量化设计开展相关研究，但这个时期缺少计算机技术的支撑，基本依靠工艺手段以及尚不完善的试验测试手段，其测试精度、计算效率都难以得到保障。随着电子技术的快速发展，模拟仿真手段极大地提高了轻量化设计研究的效率。文献《Numerical investigations of piston cooling using oil jet in heavy duty diesel engines,Agarwal,et al.International Journal of Engine Research,2006》设计的裙部附近的壁厚度2.5mm，燃烧室壁的平均厚度3mm，活塞销孔的壁厚2.5mm的薄壁钢活塞，可使质量与标准铝合金活塞相当。文献《Steel pistons for passenger car diesel engines,Emmerich,et al.Mtz Worldwide Emagazine,2011》通过采用整体式锻件、嵌缝连接技术连接活塞环区与裙部、薄壁结构、大内冷油腔、低压缩高度的设计方式来降低钢活塞重量。文献《Design of an Additive Manufactured Steel Piston for a High Performance Engine:Developing of a Numerical Methodology Based on Topology Optimization Techniques，Barbieri,et al.SAE International Journal of Engines,2018》采用Altair OptiStruct 13软件对钢活塞进行拓扑优化，优化后的新型钢活塞质量为415g，与原铝活塞仅增加9％。文献《某高效低排放柴油机钢活塞设计与实验验证，谭祖健等，内燃机，2021
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15》采用轻量化设计理念对高强化柴油机锻钢活塞进行结构设计，通过采用低压缩高设计、等强度薄壁、热流型内腔结构、大容积内冷油腔、阶梯销座等结构设计，较好地控制了活塞的总质量。
[0004]综上所述，国内外针对钢活塞轻量化设计研究开展较少，研究学者往往通过从活塞结构等方面进行调整实现减重，而在轻量化设计的系统研究方面则不够完善，一般未考虑活塞的各项性能，仅通过较为单一的约束条件(如活塞最大应力值)对部分活塞关键结构参数进行优化。
[0005]总之，目前的活塞轻量化设计主要存在以下不足：
[0006]1)钢活塞轻量化设计理论和方法方面的不足；
[0007]2)未形成钢活塞轻量化设计方法评判准则。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：
[0010]一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法，包括以下步骤：
[0011]步骤(1)钢活塞头部的结构轻量化设计方法，首先确定钢活塞头部的原始边界，根据原始边界构建内冷油腔截面形状，对钢活塞头部进行热机耦合分析，判断头部结构是否满足结构强度、刚度要求，若满足采取该原始边界下的内冷油腔截面形状，若不满足，在原始边界的基础上进行缩进构建新的设计边界，以此类推，直到获取符合条件的内冷油腔截面设计；
[0012]步骤(2)钢活塞裙部的结构轻量化设计方法，首先确定钢活塞裙部的设计空间，包括活塞裙部、销座及面窗等，其次针对裙部位置设置位移约束点，在保留销孔结构、裙部底端的前提下对优化区域进行拓扑优化，将获得的拓扑模型在建模软件进行修正处理，对钢活塞裙部进行热机耦合分析，判断裙部结构是否满足结构强度、刚度要求，若满足采取此设计的裙部拓扑优化结构，若不满足，构建新的钢活塞裙部拓扑优化仿真模型，以此类推，直到获取符合条件的裙部拓扑优化结构；
[0013]步骤(3)对钢活塞整体进行安全系数校核与疲劳寿命预测，若不满足要求，对不满足要求的局部区域进行调整与优化，直到符合设计要求。
[0014]所述步骤1)原始边界根据实际钢活塞型号确定，原始边界由燃烧室弧线、顶面水平线段、环槽垂直线段、内腔顶部的水平线段、经过燃烧室底部的垂直线段等组成。
[0015]所述步骤1)设计边界是由原始边界向内部可按不同比例缩进得来。
[0016]所述步骤1)构建内冷油腔截面形状是由曲线任意构成的封闭区间，且内冷油腔截面逼近原始边界或设计边界，获取更大的截面面积，从而实现头部结构的轻量化。
[0017]所述步骤2)裙部中凸纵向位置至少设置3个位移约束点，约束点在拓扑优化前后变化量在0.01mm范围内。
[0018]所述步骤2)裙部周向至少设置1个高度位置，且高度位置上不少于2个位移约束点，约束点在拓扑优化前后变化量在0.05mm范围内。
[0019]所述步骤2)在建模软件进行修正处理，处理包括但不限于挖孔洞删除局部实体材料、加筋、加肋条。
[0020]所述步骤3)钢活塞整体安全系数不低于1.2。
[0021]所述步骤3)钢活塞疲劳寿命不低于8000小时。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]本专利技术能够弥补钢活塞构轻量化设计方法上的空缺，形成钢活塞轻量化设计方法评判准则，具体有：
[0024](1)钢活塞头部的结构轻量化设计方法，本专利技术所涉及的在约定的优化范围内获得钢活塞内冷油腔截面最大化从而实现头部结构的轻量化，同时并对头部进行热机耦合分析，使得优化后的头部结构满足结构强度、刚度要求；
[0025](2)钢活塞裙部的结构轻量化设计方法，本专利技术通过采取拓扑优化对裙部进行轻量化设计，同时并对裙部进行热机耦合分析，使得优化后的裙部结构满足结构强度、刚度要
求；
[0026](3)钢活塞轻量化设计方法评判准则，针对优化后的钢活塞结构进行疲劳强度评判，确保结构具有足够的可靠性。
附图说明
[0027]下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：
[0028]图1是本专利技术的钢活塞结构轻量化设计分析构思示意图；
[0029]图2是本专利技术的对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法的流程图；
[0030]图3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对高强化柴油机钢活塞进行轻量化设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)，钢活塞头部的轻量化设计，包括：确定钢活塞头部的原始边界，根据原始边界构建内冷油腔截面形状，对钢活塞头部进行热机耦合分析，判断头部结构是否满足结构强度及刚度的要求；若满足则采取该原始边界下的内冷油腔截面形状，若不满足则在原始边界的基础上进行缩进构建新的设计边界，直到获取符合条件的内冷油腔截面设计；步骤(2)，钢活塞裙部轻量化设计，包括：首先确定钢活塞裙部的设计空间，包括活塞裙部、销座及面窗；其次针对裙部位置设置位移约束点，在保留销孔结构、裙部底端的前提下对优化区域进行拓扑优化，将获得的拓扑模型在建模软件进行修正处理，对钢活塞裙部进行热机耦合分析，判断裙部结构是否满足结构强度、刚度要求；若满足则采取此设计的裙部拓扑优化结构，若不满足则构建新的钢活塞裙部拓扑优化仿真模型，直到获取符合条件的裙部拓扑优化结构；步骤(3)，对钢活塞整体进行安全系数校核与疲劳寿命预测，若不满足要求，对不满足要求的局部区域进行调整与优化，直到符合设计要求。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中还包括：所述原始边界根据实际钢活塞型号确定，原始边界由燃烧室弧线、顶面水平线段、环槽垂直线段、内腔顶部的水平线段及经过燃烧室底部的垂直线段组成。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中还包括：所述构建内冷油腔截面形状是由曲线任意构成的封闭区间，且内冷油腔截面逼近原始边界或设计边界，获取更大的截面面积，从而实现头部结构的轻量化。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中还包括：所述设计边界是由原始边界向内部按不同比例缩进得到。5.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷基林，刘阳，陈继锟，王宝剑，邓伟，贾德文，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：