[发明专利]一种优化活塞裙部型线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及发动机的活塞领域，特别涉及一种优化活塞裙部型线的方法。

背景技术

活塞是发动机最重要的部件之一，对其进行裙部型线优化设计是一件很重要的工作，这可以指导活塞裙部型线设计并对裙部型线设计进行评价，这种不通过试验或者通过较少试验来进行虚拟产品设计与仿真的方法，不仅缩小了产品开发周期，也减少了开发成本。

目前活塞裙部型线设计中，由于活塞受力和裙部油膜边界条件复杂，裙部润滑状态确定困难，也就很难用解析法对活塞受力和裙部润滑进行计算，因此，目前大多根据经验对活塞裙部型线进行设计，然后通过大量试验观察裙部磨损状态不断对型线进行修改校正，直到设计的型线满足工作要求。

发明内容

为了缩短开发周期，减少开发成本，准确描述活塞的运动工况，本发明提供了一种优化活塞裙部型线的方法。

该方法用有限元方法和多体动力学方法对活塞进行计算，建立了一套优化活塞裙部型线的完整流程，从而能更好的指导活塞裙部型线的设计。

本发明技术方案具体如下：

一种优化活塞裙部型线的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a：对活塞进行有限元网格划分，提取活塞裙部刚度矩阵文件；

步骤b：参考活塞温度场和整机热耦合分析结果，获取活塞及缸套的热变形；

步骤c：将活塞原始型线与热变形叠加，将缸套机械变形与热变形叠加；

步骤d：建立活塞动力学模型，进行动力学求解；

步骤e：对结果进行评价，不断优化型线。

其中，采用一阶六面体网格建模；建立以活塞截面为圆柱面的柱坐标系；在裙部径向上的加载面积内在周向及高度方向上提取刚度矩阵文件。

进一步，所述步骤c中，具体包括：

将活塞原始冷态型线与热变形进行叠加得到活塞热态型线；

将整机热耦合分析得到的缸套热变形与其机械变形叠加得到缸套热态型线。

进一步，所述步骤d中，具体包括：

建立包括活塞、活塞环弹性体，活塞销、连杆、曲轴、缸套为刚性体的多体动力学模型，并基于牛顿第二定理和雷诺方程进行求解。

所述求解结果包括：活塞在气缸内的二阶运动、活塞裙部压力分布、以及活塞对缸套的动态敲击力。

进一步，对于小型汽油机，加载面积取3-5mm²，加载力大小取500-1000N。

采用本发明的技术方案，能利用计算机的强大功能，对活塞受力模型进行牛顿第二定理求解，然后利用雷诺方程对裙部润滑进行计算，反复迭代，直到满足平衡方程，求解精度高、求解速度快、极大地提高了设计效率，大大缩短了产品开发周期，在样件的试制以前，可以在虚拟环境中模拟活塞真实运行工况，提高了开发效率，节省大量的试验成本，为活塞产品设计指明了方向。

附图说明

图1是实施例中优化活塞裙部型线的流程图；

图2是活塞有限元模型及提取刚度矩阵的加载方法；

图3是实施例中活塞多体动力学模型示意图。

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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步的详细描述。

本实施例提供一种活塞型线的优化方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤101：建立活塞有限元模型，提取刚度矩阵；

如图2所示，本实施例中对活塞进行网格划分，采用一阶六面体单元，裙部网格单元建议为1mm，对于180度对称活塞，可以取半个活塞进行建模以减小计算量。在活塞横截面中心建立以该平面为R、θ的平面，以活塞运动方向为Z轴的柱坐标系；然后在活塞裙部Z和θ方向选取足够点求解裙部径向刚度，对于小型汽油机，建议加载面积取3-5mm2，加载力大小取500-1000N。

步骤102：叠加热态型线，具体是

102a.从整机热耦合计算结果中提取缸套在主推力面和次推力面的径向热变形和机械变形，将两种变形叠加在一起形成缸套的热态型线；

102b.从活塞温度场计算结果中提取活塞裙部节点的径向热变形，与冷态裙部型线叠加在一起形成活塞裙部的热态型线。

步骤103：准备好刚度文件和活塞、缸套的热态型线及相关参数之后就可以搭建包含活塞、连杆、曲轴、缸套等在内的多体动力学模型，经调试正确之后，就可以进行动力学仿真。

步骤104：对仿真行结果评价；

活塞动力学仿真分析结果主要包含下面几个方面：

104a.活塞在气缸内的二阶运动包括横向运动和摆头运动，主要评价活塞运动的平稳性；