马斌　邵微　陈秉智

摘要：针对铁路运输向高速重载方向发展对机车发动机性能要求不断提高的问题，为确保柴油发动机工作的可靠性，对其活塞进行静强度分析.用HyperMesh建立某柴油发动机活塞的三维有限元模型，利用ANSYS对其进行有限元分析.综合考虑热负荷与机械负荷的耦合作用，确定活塞最大应力和最大应变分布的危险部位.分析结果可以为铁路机车柴油发动机活塞设计提供参考.

关键词：机车； 柴油发动机； 活塞； 温度载荷； 接触； 应力

中图分类号： U262.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

活塞是柴油发动机的核心部件之一，其结构参数在很大程度上影响发动机的可靠性和寿命.在正常工作中，柴油发动机活塞承受高温高压，工作条件恶劣，一旦损坏，可能引起发动机其他零件的严重破坏，甚至影响整个系统运行.因此，有必要对活塞进行强度校核.[1]

本文根据活塞的几何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，设置活塞头与活塞销座以及螺栓与垫片和活塞销座之间的接触对.建模的难点是模拟活塞销对活塞销座的非均布压力，在HyperMesh中以非线性方程的形式向螺栓销座施加非均布压力，并用ANSYS进行有限元计算分析.在ANSYS中对模型施加温度载荷，耦合机械负荷与热负荷，设置接触参数，采用基于接触的活塞有限元模型校核活塞的静强度.[2]

结果表明，在最恶劣的工况下，活塞的静强度依然符合要求，然而螺栓的工作应力与其屈服强度接近，存在一定的危险.计算结果可以为活塞设计提供参考.[3]工作中的活塞是运动件，因此对于活塞的静强度分析，简化模型的边界条件可以使分析过程大大简化，但另一方面也使得计算结果的可靠性降低.后续模拟活塞时可以考虑更详尽地模拟活塞的工作情况[4]，以提高计算结果的可靠性.

4 结束语

由强度计算可知，柴油机活塞在各工况下应力值都小于对应部分的条件应力强度，活塞静强度符合要求.若材料安全因数大于1.2，则螺栓强度不符合要求，需要换更高强度的螺栓.在有限元分析中，把动态的部件模拟成静态并分析其在最大爆发压力和最高温度同时作用下的应力强度.这样可简化分析过程，分析结果可为活塞设计提供参考.[10]

活塞工作环境复杂、恶劣，在模拟过程中未考虑气缸壁对活塞的作用和活塞内机油对活塞各部分应力的影响，结果精确性有待提高，后续对活塞分析中可以考虑这些因素，以提高结果可信度.

参考文献：

[1] 吴伋. 6S50MC-C柴油机活塞头的强度分析[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.

[2] 刘波. 轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D]. 长春： 吉林大学， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑静， 彭旭阳. 基于有限元法的发动机曲轴静强度分析[J]. 重庆大学学报， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 关振群， 宋洋， 吕军， 等. 离心压缩机叶轮静强度分析方法[J]. 大连理工大学学报， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吴建华， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空压机活塞杆断裂原因的力学分析[J]. 流体机械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 钟功祥， 张天津， 吕治忠， 等. 钻井泵活塞动态分析[J]. 石油矿场机械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 马欣， 桑东恒， 刘清友. 天然气站往复式压缩机活塞失效分析[J]. 管道技术与设备， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭学院. 跨临界CO2活塞压缩机活塞的有限元应力及疲劳分析[J]. 流体机械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 温西朋， 田舰， 王垒， 等. C6190ZLC-A柴油机活塞温度场有限元分析[J]. 内燃机与动力装置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 内燃机活塞温度场的轴对称组合边界元分析[J]. 西南交通大学学报， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（编辑 于杰）

摘要：针对铁路运输向高速重载方向发展对机车发动机性能要求不断提高的问题，为确保柴油发动机工作的可靠性，对其活塞进行静强度分析.用HyperMesh建立某柴油发动机活塞的三维有限元模型，利用ANSYS对其进行有限元分析.综合考虑热负荷与机械负荷的耦合作用，确定活塞最大应力和最大应变分布的危险部位.分析结果可以为铁路机车柴油发动机活塞设计提供参考.

关键词：机车； 柴油发动机； 活塞； 温度载荷； 接触； 应力

中图分类号： U262.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

活塞是柴油发动机的核心部件之一，其结构参数在很大程度上影响发动机的可靠性和寿命.在正常工作中，柴油发动机活塞承受高温高压，工作条件恶劣，一旦损坏，可能引起发动机其他零件的严重破坏，甚至影响整个系统运行.因此，有必要对活塞进行强度校核.[1]

本文根据活塞的几何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，设置活塞头与活塞销座以及螺栓与垫片和活塞销座之间的接触对.建模的难点是模拟活塞销对活塞销座的非均布压力，在HyperMesh中以非线性方程的形式向螺栓销座施加非均布压力，并用ANSYS进行有限元计算分析.在ANSYS中对模型施加温度载荷，耦合机械负荷与热负荷，设置接触参数，采用基于接触的活塞有限元模型校核活塞的静强度.[2]

结果表明，在最恶劣的工况下，活塞的静强度依然符合要求，然而螺栓的工作应力与其屈服强度接近，存在一定的危险.计算结果可以为活塞设计提供参考.[3]工作中的活塞是运动件，因此对于活塞的静强度分析，简化模型的边界条件可以使分析过程大大简化，但另一方面也使得计算结果的可靠性降低.后续模拟活塞时可以考虑更详尽地模拟活塞的工作情况[4]，以提高计算结果的可靠性.

4 结束语

由强度计算可知，柴油机活塞在各工况下应力值都小于对应部分的条件应力强度，活塞静强度符合要求.若材料安全因数大于1.2，则螺栓强度不符合要求，需要换更高强度的螺栓.在有限元分析中，把动态的部件模拟成静态并分析其在最大爆发压力和最高温度同时作用下的应力强度.这样可简化分析过程，分析结果可为活塞设计提供参考.[10]

活塞工作环境复杂、恶劣，在模拟过程中未考虑气缸壁对活塞的作用和活塞内机油对活塞各部分应力的影响，结果精确性有待提高，后续对活塞分析中可以考虑这些因素，以提高结果可信度.

参考文献：

[1] 吴伋. 6S50MC-C柴油机活塞头的强度分析[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.

[2] 刘波. 轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D]. 长春： 吉林大学， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑静， 彭旭阳. 基于有限元法的发动机曲轴静强度分析[J]. 重庆大学学报， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 关振群， 宋洋， 吕军， 等. 离心压缩机叶轮静强度分析方法[J]. 大连理工大学学报， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吴建华， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空压机活塞杆断裂原因的力学分析[J]. 流体机械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 钟功祥， 张天津， 吕治忠， 等. 钻井泵活塞动态分析[J]. 石油矿场机械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 马欣， 桑东恒， 刘清友. 天然气站往复式压缩机活塞失效分析[J]. 管道技术与设备， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭学院. 跨临界CO2活塞压缩机活塞的有限元应力及疲劳分析[J]. 流体机械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 温西朋， 田舰， 王垒， 等. C6190ZLC-A柴油机活塞温度场有限元分析[J]. 内燃机与动力装置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 内燃机活塞温度场的轴对称组合边界元分析[J]. 西南交通大学学报， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（编辑 于杰）

摘要：针对铁路运输向高速重载方向发展对机车发动机性能要求不断提高的问题，为确保柴油发动机工作的可靠性，对其活塞进行静强度分析.用HyperMesh建立某柴油发动机活塞的三维有限元模型，利用ANSYS对其进行有限元分析.综合考虑热负荷与机械负荷的耦合作用，确定活塞最大应力和最大应变分布的危险部位.分析结果可以为铁路机车柴油发动机活塞设计提供参考.

关键词：机车； 柴油发动机； 活塞； 温度载荷； 接触； 应力

中图分类号： U262.11； TB115.1

文献标志码：B

0 引 言

活塞是柴油发动机的核心部件之一，其结构参数在很大程度上影响发动机的可靠性和寿命.在正常工作中，柴油发动机活塞承受高温高压，工作条件恶劣，一旦损坏，可能引起发动机其他零件的严重破坏，甚至影响整个系统运行.因此，有必要对活塞进行强度校核.[1]

本文根据活塞的几何模型，利用HyperMesh建立活塞的有限元模型，设置活塞头与活塞销座以及螺栓与垫片和活塞销座之间的接触对.建模的难点是模拟活塞销对活塞销座的非均布压力，在HyperMesh中以非线性方程的形式向螺栓销座施加非均布压力，并用ANSYS进行有限元计算分析.在ANSYS中对模型施加温度载荷，耦合机械负荷与热负荷，设置接触参数，采用基于接触的活塞有限元模型校核活塞的静强度.[2]

结果表明，在最恶劣的工况下，活塞的静强度依然符合要求，然而螺栓的工作应力与其屈服强度接近，存在一定的危险.计算结果可以为活塞设计提供参考.[3]工作中的活塞是运动件，因此对于活塞的静强度分析，简化模型的边界条件可以使分析过程大大简化，但另一方面也使得计算结果的可靠性降低.后续模拟活塞时可以考虑更详尽地模拟活塞的工作情况[4]，以提高计算结果的可靠性.

4 结束语

由强度计算可知，柴油机活塞在各工况下应力值都小于对应部分的条件应力强度，活塞静强度符合要求.若材料安全因数大于1.2，则螺栓强度不符合要求，需要换更高强度的螺栓.在有限元分析中，把动态的部件模拟成静态并分析其在最大爆发压力和最高温度同时作用下的应力强度.这样可简化分析过程，分析结果可为活塞设计提供参考.[10]

活塞工作环境复杂、恶劣，在模拟过程中未考虑气缸壁对活塞的作用和活塞内机油对活塞各部分应力的影响，结果精确性有待提高，后续对活塞分析中可以考虑这些因素，以提高结果可信度.

参考文献：

[1] 吴伋. 6S50MC-C柴油机活塞头的强度分析[D]. 大连： 大连海事大学， 2010.

[2] 刘波. 轨道交通车辆座椅的静强度和疲劳强度分析[D]. 长春： 吉林大学， 2004.

[3] 徐中明， 牟笑静， 彭旭阳. 基于有限元法的发动机曲轴静强度分析[J]. 重庆大学学报， 2008， 31（9）： 977-981.

XU Zhongming， MU Xiaojing， PENG Xuyang. Engine crankshaft static strength analysis based on the finite element method[J]. J Chongqing Univ， 2008， 31（9）： 977-981.

[4] 关振群， 宋洋， 吕军， 等. 离心压缩机叶轮静强度分析方法[J]. 大连理工大学学报， 2011， 51（2）： 157-162.

GUAN Zhenqun， SONG Yang， LYU Jun， et al. Analysis methods for static strength of centrifugal compressor impeller[J]. J Dalian Univ Technol， 2011， 51（2）： 157-162.

[5] 余小玲， 吴建华， 李建， 等. DW-160/4.5活塞式空压机活塞杆断裂原因的力学分析[J]. 流体机械， 2009， 37（9）： 46-49.

YU Xiaoling， WU Jianhua， LI Jian， et al. Mechanical analysis for fracture of piston rod of DW-160/4.5 reciprocating compressor[J]. Fluid Machinery， 2009， 37（9）： 46-49.

[6] 钟功祥， 张天津， 吕治忠， 等. 钻井泵活塞动态分析[J]. 石油矿场机械， 2009， 38（11）： 8-11.

ZHONG Gongxiang， ZHANG Tianjin， LYU Zhizhong， et al. Dynamic analysis of drilling pump piston[J]. Oil Field Equipment， 2009， 38（11）： 8-11.

[7] 马欣， 桑东恒， 刘清友. 天然气站往复式压缩机活塞失效分析[J]. 管道技术与设备， 2011（1）： 32-34.

MA Xin， SANG Dongheng， LIU Qingyou. A failure analysis of the reciprocating compressor piston in natural gas treatment station[J]. Pipe line Tech & Equipment， 2011（1）： 32-34.

[8] 王雷雷， 郭怡， 彭学院. 跨临界CO2活塞压缩机活塞的有限元应力及疲劳分析[J]. 流体机械， 2013， 41（1）： 26-29.

WANG Leilei， GUO Yi， PENG Xueyuan. Finite element simulation of stress field and fatigue analysis of piston in trans-critical CO2 compressor[J]. Fluid Machinery， 2013， 41（1）： 26-29.

[9] 温西朋， 田舰， 王垒， 等. C6190ZLC-A柴油机活塞温度场有限元分析[J]. 内燃机与动力装置， 2013： 30（1）： 35-37.

WEN Xipeng， TIAN Jian， WANG Lei， et al. Finite element analysis on temperature distribution of C6190ZLC-A diesel engine piston[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant， 2013： 30（1）： 35-37.

[10] 翟婉明. 内燃机活塞温度场的轴对称组合边界元分析[J]. 西南交通大学学报， 1988， 23（2）： 62-68.

ZHAI Wanming. Analysis of temperature fields of internal combustion engine pistons in axisymmetric models by the combined boundary element method[J]. J Southwest Jiaotong Univ， 1988， 23（2）： 62-68.

（编辑 于杰）