第４期
２０１０年４月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ４９
文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０４—００４９—０２
汽油机活塞的有限元分析与优化木
赵波范平清赵晓昱
（上海工程技术大学汽车工程学院，上海２０１６００）
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅｐｉｓｔｏｎｏｆｏｉｌｅｎｇｉｎｅ
ＺＨＡＯＢｏ，ＦＡＮＰｉｎｇ－ｑｉｎｇ，ＺＨＡＯＸｉａｏ－ｙｕ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６００，Ｃｈｉｎａ）中图分类号：ＴＨｌ２２文献标识码：Ａ
１引言
活塞是内燃机中较难设计的重要零件之一。设计一个重量轻、结构可靠的活塞是人们所希望的，不但可以节省材料，而且还能减小往复惯性力和改善传热等。要想加强活塞结构的町靠性（疲劳安全系数），必然使活塞质量也随之增加，设计人员利用以往的常规设计方法几乎不可能找出兼顾两者的设计方案。只有采用优化方法，才能获得既满足各种设计要求，又能使活塞重量最轻、疲劳安全系数最大的设计方案。
利用ＵＧＮＸ软件完成设计任务，将先进的结构分析与优化方法应用到汽油机活塞的设计中，减少数据的遗失，提高分析结果的精确性。利用ＵＧ软件的相关参数化黼法和用户定义特征建立活塞连杆组件的参数化模型，采用ＵＧＮＸ软件中的Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模块进行有限元分析与优化，优化器选择Ａｌｍｉｒ的ＨｙｐｅｒＯｐｔ。
研究的汽油机是上世纪８０年代开发的一款微型汽车发动机，是两缸、四冲程、水冷、直列斜置式汽油机，气门机构采用顶置轮轴、链传动，其主要参数，如表１所示。
表１汽油机的主要参数
压缩比８．４：１
标定功率２０．６ｋｗ
标定转速５３００ｒ／ｒａｉｎ
最大扭矩４７．ＩＮ．ｍ在（２７００～３３００）ｄｒａｉｎ时
怠速９００ｒ／ｍｉｎ
点火正时上止点前６。４－２０
２活塞连杆组件参数化模型的建立建立活塞连杆组件的参数化模型是实现活塞优化设计的必要条件。从活塞连杆组件的参数化模型中町获取进行活塞及连杆有限元分析与优化的相关参数如曲轴半径月、连杆长度￡、活塞质量、连杆质量、活塞环质虽及活塞销质量等。计算活塞及连杆所承受的机械作用力，从而方便地进行有限元分析与优化。
使用ＵＧ软件的相关参数化设计方法和用户定义特征建立活塞及连杆的参数化模型Ｍ。用户定义特征（ＵｓｅｒＤｅｆｉｎｅｄＦｅａｔｕｒｅ，ＵＤＦ）是将一组特征以特征集的方式单独存储，当用户需要在其它零件设计中使用这组特征时将其调出，并同时赋予不同的一组几何和数值参数，生成和原型类似结构的几何模型。ＵＧ软件的用户定义特征有助于实现复杂结构的变参数设计。将活塞及连杆的机构简图、活塞头部外形草图、活塞裙部草图、活塞内腔曲线草图及连杆外形草图等定义为ＵＧ的用户定义特征，结合ＵＧ软件的相关参数化设计方法完成活塞、连杆体、连杆盖、轴瓦、活塞销、气环及油环等的参数化模型，并完成虚拟装配，如图ｌ所示。
图ｌ活塞连枰组件的参数化模型
３活塞的有限元分析
活塞连杆组件在发动机工作时处于高速、高温的工作状态下，采用ＵＧＮＸ软件中的Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ模块进行有限元分析。在有限元分析及后面的优化中采用冯氏（ＶｏｎＭｉｓｅｓ）应力作为评价标
★来稿Ｈ期：２００９－０６—２１★基金项目：上海市重点学科建设项目资助（Ｐ１４０５）万方数据