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活塞是内燃机中的关键零部件之一,对内燃机的性能有着十分关键的影响:活塞裙部-气缸套摩擦副产生的摩擦损失占内燃机总机械损失的25%;裙部表面的磨损,会造成排放恶化等问题;活塞的二阶运动会对气缸套造成敲击,引起振动与噪声。因此,为了满足内燃机高效节能、低排放、低噪声的现实需求,研究活塞的二阶运动并有效降低活塞裙部摩擦磨损以及活塞对气缸套的敲击具有重要的意义。本文以某款柴油机活塞组件为研究对象,采用数值模拟和试验验证相结合的手段,开展了结构参数对活塞裙部摩擦磨损和敲击能量影响的模拟研究,并进行活塞裙部型面结构参数的多目标优化,本文的详细工作内容及主要的研究结论概括如下:(1)基于活塞和气缸套的温度场试验,建立标定工况下综合考虑表面粗糙度、活塞和气缸套热及弹性变形影响的活塞二阶运动动力学模型,并开展该工况下活塞裙部的磨损试验,试验结果表明:本文模型计算的裙部磨损区域和试验的裙部磨损区域较为吻合,证明了本文活塞二阶运动动力学模型的准确性。(2)采用单一变量法研究了样机标定工况下活塞结构参数对裙部摩擦磨损及敲击能量的影响。配缸间隙在90μm附近时,裙部的摩擦功耗最小,配缸间隙对活塞敲击能量的影响较为显著。配缸间隙由70μm增大至190μm时,裙部的最大磨损载荷从75.408 MW/m2逐渐减小为32.482 MW/m2,减小的幅度约为56.9%。活塞销偏置量在0.9 mm附近时,裙部的摩擦功耗最低。随着活塞销偏置量从0 mm依此增大为1.8 mm,活塞最大敲击能量先从2.157 mJ减小为0.755 mJ,后增大为2.349 mJ,裙部的最大磨损载荷值呈现小幅度的增大,但磨损区域变化较大。裙部顶端间隙取值在96μm附近时,裙部的摩擦功耗最低。随着裙部顶端间隙从56μm逐渐增大为176μm,活塞最大敲击能量从1.202 mJ逐渐增大为5.109 mJ,增大约3.3倍,裙部的最大磨损载荷从60.53 MW/m2不断减小为41.278 MW/m2,减小的幅度约为31.8%,主推力面和次推力面磨损严重的区域均向下移动。中凸点愈靠近裙部顶端,裙部的摩擦功耗愈大。中凸点高度从10 mm增大至40 mm时,活塞最大敲击能量从2.311 mJ逐渐减小为0.758 mJ,减小幅度为67.2%,裙部的最大磨损载荷从28.334 MW/m2逐渐增大为141.67 MW/m2,增大的幅度达到4倍,裙部磨损载荷最大的区域向顶端移动。(3)开展了标定工况下样机活塞裙部型面的结构优化。通过最优拉丁超立方采样、样本计算、响应面拟合以及“NSAG-Ⅱ”遗传算法计算,得到活塞裙部型面设计的最优解集,并从中选取两个方案,经过与原机的性能对比,得到了活塞裙部型面设计的最终方案。此时,标定工况下样机活塞裙部的摩擦功耗降低18.17%,活塞的最大敲击能量降低7.88%。