曹火光，邵佳丰

(1.固耐重工(苏州)有限公司，江苏 苏州 215400)(2.东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)

作为压缩机的关键部件，活塞设计质量的好坏直接影响整机的性能[1]。若活塞的强度、刚度达不到要求，则难以保证压缩机稳定运行；若为了强度与刚度要求单纯增加材料厚度，则会导致活塞质量增加，增大制造成本与能源消耗。因此，在满足力学性能要求的条件下，对活塞进行轻量化设计便十分关键[2]。目前轻量化设计主要有两种方式，一种是依靠疲劳强度理论进行结构优化设计，尽可能地发挥结构的强度潜力，减少材料的使用，从而减轻质量；另一种则是通过使用高性能轻量化材料替换原材料来减轻质量[3]。

国内外学者对轻量化设计方法展开了大量研究。霍心达等[4]基于变密度法拓扑优化设计技术对发动机活塞进行结构优化设计，在材料不变的情况下质量减轻6.471%；冯金芝等[5]通过材料替换和结构改进设计了一种轻量化镁合金副车架；何龙军等[6]采用材料替换和尺寸优化对汽车发动机罩盖进行轻量化设计；王雷等[7]利用响应面分析与多目标优化方法对某机床立柱进行优化，得到的优化模型质量降低7.2%。

本文在上述研究的基础上，以压缩机活塞为研究对象，首先采用材料替换的方法对其进行轻量化设计，在此基础上利用有限元分析方法对活塞的强度、刚度和振动特性进行分析，最后对使用轻量化材料后的活塞进行结构优化，使其满足力学性能要求。……