随着柴油机强化程度提高,缸内爆发压力不断增加。目前,国外先进的增压柴油机最高爆发压力已经达25MPa以上,国内增压柴油机最大爆发压力已达23MPa以上,并朝着更高目标的爆发压力研究趋势迈进。发动机工作过程中,活塞承受高温和机械交变负荷,经有限元分析结合试验发现,由于变形的不协调使得销孔内侧上缘应力沿销孔轴线分布不平衡,出现应力梯度较大区域,活塞销座部位出现非常严重的局部应力集中现象,而高温与承受过大压力而引起的销座咬死及机械负荷过大引起销座开裂甚至整个破坏整个活塞。为了改善销孔应力分布,提高活塞销座承载力,提出活塞异形销孔和在销孔处增加铜套的改进方案。研究对象为高功率密度柴油机活塞,利用数值计算仿真分析方法,建立柴油机三维活塞有限元分析模型,开展异形销孔、销孔铜套结构对活塞应力分布的影响研究,以实现柴油机承受23MPa最大爆发压力与420℃最高工作温度的设计目标。主要研究工作如下:(1)活塞有限元模型的网格无关性验证主要对销孔处做轴向、周向和厚度方向网格数量对结果的敏感性进行分析,以热机耦合应力为衡量标准,最终确定活塞的回油孔、内腔以及活塞第三环槽的倒角结构、隔热涂层采用尺寸为1mm的网格结构单元,活塞裙部较为规则的地方采用尺寸为3mm的结构单元,环岸、内腔采用尺寸为2mm的网格结构单元。活塞的网格类型采用四面体单元,节点数为62851,单元数量为290474。(2)活塞销孔部位结构参数对活塞强度的影响发动机工作过程中,活塞承受高温和机械交变负荷,经有限元分析结合试验发现,由于变形的不协调使得销孔内侧上缘应力沿销孔轴线分布不平衡,出现应力梯度较大区域,活塞销座部位出现非常严重的局部应力集中现象,而高温与承受过大压力而引起的销座咬死及机械负荷过大引起销座开裂甚至破坏整个活塞。为了改善销孔应力分布,提高活塞销座承载力,提出活塞异形销孔和在销孔处增加铜套:对活塞进行温度场、机械载荷和热机耦合的分析计算,活塞顶面最高工作温度为419.9℃,最大热应力164.416MPa,活塞销座孔内侧上缘局部严重应力集中,同时出现最大热机耦合应力209.096MPa;头部最大耦合变形量0.515mm。研究在运行工况下销孔铜套对活塞结构的影响,活塞最高工作温度421.9℃,出现在顶面喉口位置;最大机械应力204.863MPa,同无销孔衬套活塞降低了401.323MPa,降幅66.2%;最大热机耦合应力148.48MPa,同比下降60.616MPa,降幅28.9%,并且销孔处应力集中的现象有所改善。在销孔铜套研究的基础上,分别做不同形式的椭圆形异形销孔铜套与不同尺寸的楔形异形销孔铜套方案,开展异形销孔铜套对活塞结构强度的影响研究,研究表明,采用外椭圆内圆形的异形销孔铜套结构和内外均椭圆的异形销孔结构的活塞,各项性能指标均有所恶化,不能满足提高销座孔和活塞承载能力的目标要求;外圆形内椭圆形异形销孔铜套活塞各项性能参数均优于原活塞,此结构能进一步提高活塞的承载能力,对比四种不同楔形异形销孔衬套活塞方案,各方案活塞性能参数值均小于原活塞,其中10°锥角且锥角边倒圆的方案最为突出,最大机械应力、最大机械耦合应力分别为185.396MPa、135.491MPa,同比下降了19.467MPa和12.989MPa,分别占比8.7%和12.9%。活塞销孔与铜套为过盈配合,文章分析了过盈配合量对活塞销孔接触压强以及应力分布。研究发现,活塞销孔与铜套过盈配合时,过盈以及机械载荷和热机耦合下活塞销孔接触压强和活塞最大应力都随着过盈量的增加而近似呈线性增加,其中销孔处接触压强对过盈量的取值最为敏感。研究异形销孔和销孔衬套对活塞隔热涂层的影响:在最佳楔形异形销孔结构的基础上在活塞顶面做0.4mm陶瓷隔热层+0.1mm金属粘结层的耐热涂层,计算结果显示:活塞最高工作温度下降了12.5%,从421.9℃降低到367.4℃,同时热机耦合应力应变分别为132.708MPa、0.412mm,也下降了10.6%和20.3%。