[發(fā)明專利]一種優(yōu)化活塞裙部型線的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910162184.0
• 申請(qǐng)日: 2009-08-05
• 公開（公告）號(hào): CN101625711A
• 公開（公告）日: 2010-01-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳海濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 奇瑞汽車股份有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;F02F3/00
• 代理公司: 北京五月天專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 吳寶泰;朱成蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞領(lǐng)域，特別涉及一種優(yōu)化活塞裙部型線的方法。

背景技術(shù)

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一，對(duì)其進(jìn)行裙部型線優(yōu)化設(shè)計(jì)是一件很重要的工作，這可以指導(dǎo)活塞裙部型線設(shè)計(jì)并對(duì)裙部型線設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這種不通過試驗(yàn)或者通過較少試驗(yàn)來進(jìn)行虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)與仿真的方法，不僅縮小了產(chǎn)品開發(fā)周期，也減少了開發(fā)成本。

目前活塞裙部型線設(shè)計(jì)中，由于活塞受力和裙部油膜邊界條件復(fù)雜，裙部潤滑狀態(tài)確定困難，也就很難用解析法對(duì)活塞受力和裙部潤滑進(jìn)行計(jì)算，因此，目前大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)活塞裙部型線進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過大量試驗(yàn)觀察裙部磨損狀態(tài)不斷對(duì)型線進(jìn)行修改校正，直到設(shè)計(jì)的型線滿足工作要求。

發(fā)明內(nèi)容

為了縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，準(zhǔn)確描述活塞的運(yùn)動(dòng)工況，本發(fā)明提供了一種優(yōu)化活塞裙部型線的方法。

該方法用有限元方法和多體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)活塞進(jìn)行計(jì)算，建立了一套優(yōu)化活塞裙部型線的完整流程，從而能更好的指導(dǎo)活塞裙部型線的設(shè)計(jì)。

本發(fā)明技術(shù)方案具體如下：

一種優(yōu)化活塞裙部型線的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟a：對(duì)活塞進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，提取活塞裙部剛度矩陣文件；

步驟b：參考活塞溫度場(chǎng)和整機(jī)熱耦合分析結(jié)果，獲取活塞及缸套的熱變形；

步驟c：將活塞原始型線與熱變形疊加，將缸套機(jī)械變形與熱變形疊加；

步驟d：建立活塞動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解；

步驟e：對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，不斷優(yōu)化型線。

其中，采用一階六面體網(wǎng)格建模；建立以活塞截面為圓柱面的柱坐標(biāo)系；在裙部徑向上的加載面積內(nèi)在周向及高度方向上提取剛度矩陣文件。

進(jìn)一步，所述步驟c中，具體包括：

將活塞原始冷態(tài)型線與熱變形進(jìn)行疊加得到活塞熱態(tài)型線；

將整機(jī)熱耦合分析得到的缸套熱變形與其機(jī)械變形疊加得到缸套熱態(tài)型線。

進(jìn)一步，所述步驟d中，具體包括：

建立包括活塞、活塞環(huán)彈性體，活塞銷、連桿、曲軸、缸套為剛性體的多體動(dòng)力學(xué)模型，并基于牛頓第二定理和雷諾方程進(jìn)行求解。

所述求解結(jié)果包括：活塞在氣缸內(nèi)的二階運(yùn)動(dòng)、活塞裙部壓力分布、以及活塞對(duì)缸套的動(dòng)態(tài)敲擊力。

進(jìn)一步，對(duì)于小型汽油機(jī)，加載面積取3-5mm²，加載力大小取500-1000N。

采用本發(fā)明的技術(shù)方案，能利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，對(duì)活塞受力模型進(jìn)行牛頓第二定理求解，然后利用雷諾方程對(duì)裙部潤滑進(jìn)行計(jì)算，反復(fù)迭代，直到滿足平衡方程，求解精度高、求解速度快、極大地提高了設(shè)計(jì)效率，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，在樣件的試制以前，可以在虛擬環(huán)境中模擬活塞真實(shí)運(yùn)行工況，提高了開發(fā)效率，節(jié)省大量的試驗(yàn)成本，為活塞產(chǎn)品設(shè)計(jì)指明了方向。

附圖說明

圖1是實(shí)施例中優(yōu)化活塞裙部型線的流程圖；

圖2是活塞有限元模型及提取剛度矩陣的加載方法；

圖3是實(shí)施例中活塞多體動(dòng)力學(xué)模型示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

本實(shí)施例提供一種活塞型線的優(yōu)化方法，如圖1所示，包括如下步驟：

步驟101：建立活塞有限元模型，提取剛度矩陣；

如圖2所示，本實(shí)施例中對(duì)活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用一階六面體單元，裙部網(wǎng)格單元建議為1mm，對(duì)于180度對(duì)稱活塞，可以取半個(gè)活塞進(jìn)行建模以減小計(jì)算量。在活塞橫截面中心建立以該平面為R、θ的平面，以活塞運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸的柱坐標(biāo)系；然后在活塞裙部Z和θ方向選取足夠點(diǎn)求解裙部徑向剛度，對(duì)于小型汽油機(jī)，建議加載面積取3-5mm2，加載力大小取500-1000N。

步驟102：疊加熱態(tài)型線，具體是

102a.從整機(jī)熱耦合計(jì)算結(jié)果中提取缸套在主推力面和次推力面的徑向熱變形和機(jī)械變形，將兩種變形疊加在一起形成缸套的熱態(tài)型線；

102b.從活塞溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中提取活塞裙部節(jié)點(diǎn)的徑向熱變形，與冷態(tài)裙部型線疊加在一起形成活塞裙部的熱態(tài)型線。

步驟103：準(zhǔn)備好剛度文件和活塞、缸套的熱態(tài)型線及相關(guān)參數(shù)之后就可以搭建包含活塞、連桿、曲軸、缸套等在內(nèi)的多體動(dòng)力學(xué)模型，經(jīng)調(diào)試正確之后，就可以進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

步驟104：對(duì)仿真行結(jié)果評(píng)價(jià)；

活塞動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果主要包含下面幾個(gè)方面：

104a.活塞在氣缸內(nèi)的二階運(yùn)動(dòng)包括橫向運(yùn)動(dòng)和擺頭運(yùn)動(dòng)，主要評(píng)價(jià)活塞運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；