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摘要：柴油机活塞作为影响柴油机性能的重要零部件之一，一直以来都是专家学者的研究重点，随着计算机技术的发展，有限元分析方法得到广泛应用，本文主要围绕有限元分析方法在活塞研究上的应用情况展开讨论。详述了有限元方法在活塞研究上的国内外现状，并概括了有限元分析方法开展活塞研究的实施步骤等，指明了现行研究方法中的不足，为进一步加强有限元分析方法在活塞上的研究应用提供了借鉴。
关键词：柴油机;活塞机构;有限元分析
0 引言
柴油机是目前国内外广泛使用的动力设备之一，在生产、生活各方面都起着十分重要的作用，但由于近年以来，国际竞争的加剧以及国际环境的恶化，由此对于柴油机的各方面性能提出了新的要求和指标。活塞作为柴油机上工作条件最为恶劣的零部件之一，是影响柴油机整机性能的重点所在，于是便出现了围绕活塞的性能而展开的一系列研究。随着近代以来，电子计算机技术的迅猛发展，运用计算机分析软件对于机械零部件进行分析运算，已经趋于成熟，并且应用广泛，现已深入到分析各类机械的零部件[1]。运用大型的有限元分析软件，就机械负载、热能负荷、温度场等综合作用下活塞的应变情况，以及燃烧室的不同类型和位置对活塞性能的影响等进行分析，然后利用计算结果改善活塞的结构设计，进而研制结构合理、性能优良的活塞，业已成为现今国内外研究活塞的主要方向。
目前国内关于柴油机活塞方面的研究还处于初步探索阶段，而国外对于活塞方面的研究则较为成熟，而且许多研究技术和研究专利都被国外垄断，因此，就活塞的各方面性能进行有限元分析，对于完善我国柴油机发展领域、提高我国柴油机设计研发水平和打破国外在柴油机活塞技术上的垄断地位具有十分重要的作用和意义。
本文就目前关于柴油机活塞在有限分析方面所取得的一些成果和存在的一些缺陷进行对比分析，旨在探索出一条更为有效的分析活塞的研究道路，从而进一步拓宽活塞的各方面性能研究，弥补活塞研究现状中的不足。
1 活塞的研究现状
在柴油机运转过程中，活塞长期承受着周期交变的机械负荷和热负荷的作用，因此，活塞是柴油机零部件中最易出现故障的零部件之一。活塞对柴油机的使用寿命、动力性能、稳定程度、经济状况等都起着举足轻重的作用。
目前国外对于柴油机活塞的研究较为完备，研究情况可以追溯到几十年前，如美国、德国、日本等都在活塞方面进行了深入而细致的研究，先后研制出了满足不同用途的多种柴油机活塞，使得活塞的结构也发生了巨大变化。八十年代，德国道依茨公司针对活塞运动过程的噪音和提高效率等因素，通过合理设计活塞顶部的燃烧室，从而改善了活塞在运动过程中的噪音情况，并且有效的提高柴油机的效率。另外，美国NTA-cumnins、德国Arlschmi-dt、意大利NOVA等公司根据研究实验而设计出耐高温、体积稳定性好、使用寿命高的柴油机活塞。
随着活塞工作要求的不断提高，与之相适应的活塞设计技术也不断发展，并出现了许多新的方向，其中最为重要的发展方向便是基于有限元方法的分析应用技术。相比传统活塞设计成本高、周期长、数据有限、测试结果受相关条件的影响以至难以达到满意的设计效果等问题，有限元分析方法则有效的解决了这诸多困难。通过有限元技术进行活塞的分析，不仅可以较好的模拟出真实的工作状况，并且大大缩减了生产、制造、试验所花费的人力、物力以及时间，其所提供的分析结果可以合理且可靠地指导活塞的进一步设计完善，因此被广泛应用。
通过对活塞的有限元研究，仿真分析活塞在受热负荷、机械负荷时，其热变形与温度场情况，进而得出活塞在设计方面的缺陷与不足，加以改善。对于有限元方法应用于活塞的研究，国外比国内起步要早，研究成果也更为突出。目前国内基于有限元对活塞的分析研究还处于初始阶段，但也取得了一定的成果，如吴喜骊[2]等基于活塞的热负荷情况，通过热电偶法测量活塞的温度，建立有限元模型进行活塞的耦合分析;刘延栋[3]等通过有限元分析活塞材料微观金相结构对活塞工作性能的影响，这些成果都为活塞的改进提供了参考。
2 活塞的有限元研究方法
随着有限元技术的迅猛发展，国内外研究学者对活塞进行了一系列的研究，研究领域包括：机械应力、机械应变、热应力、热疲劳、温度场及其他机械强度等，并在此基础之上开展了冲击、瞬态温度场、润滑油膜等方面一系列的研究。活塞在利用有限元研究的方向上不断的拓宽，且研究的深度不断加强。
有限元分析的主要步骤可以概括为三步：
①建立有限元研究模型;
②确定有限元研究的边界条件;
③求解有限元分析的结果。
目前国内关于活塞的有限元分析还处于初级探索阶段，但已经初具规模，且大部分的研究方法和研究方向都趋近于相似，大部分的研究方法都缺少一定的验证性试验。通过比对数十篇有限元软件在活塞中的应用实例之后，可将其分析方法大致分为两个方面：
2.1 数据——分析——结果
该类方法是利用试验所得数据和柴油机标定工况下的基本运行数据，与现今较为公认的活塞理论整合之后代入到计算机中进行有限元分析运算，得出运算结果，进而为活塞的性能改善提供依据。
文献[4]中，利用基本数据并直接采用有限元方法对于某活塞进行温度分布情况分析，并将结果代入到多体动力学分析模型中，分析活塞的侧推力对活塞应力分布产生的影响，计算活塞在熱负荷、机械负荷和热机负荷耦合作用下活塞的应力和应变情况。该文献的不足在于对于活塞的温度载荷边界条件考虑得不够全面，且将活塞的温度视为稳定的温度场，忽略了温度波动的影响。
文献[5]中，直接应用有限元分析软件，建立某内燃机活塞的三维有限元分析模型，利用估算的瞬态交变热应力计算了瞬态过程中和快速冷启动过程中活塞温度场和热应力情况。该文献的不足在于模型只建立了四分之一的模型，忽略了模型建立的整体性，而对于活塞顶部非稳态热弹性应力采取了一系列的假设条件，因此，所得结果还具有一定的改善空间。 综上所述，该种方法的主要不足之处在于只是利用基本数据和经验公式进行分析，缺少对于经验公式的验证环节，只能为活塞的改善提供一定的借鉴。
2.2 数据——分析——比对——校正——结果
该类方法利用基本数据和经验公式进行分析，进而得到一系列的计算结果，再与实际应用情况进行对比，反馈计算机更正约束条件，尽量使计算条件与实际情况相符，从而进一步分析，得到分析结果。
文献[6]中，针对4100QBZ型涡轮增压柴油机活塞热负荷高的问题。通过对活塞进行硬度塞测温法实测了一系列具有特征性的温度数据，然后利用有限元软件将测得的温度数据代入到计算机中，按照现今较为公认的活塞传热边界条件与实际测量数值进行综合，以此作为活塞的约束条件，得到该活塞在标定工况下的温度场、热应力场及变形情况，为活塞温度场有限元分析计算提供了参考。该文献的不足在于进行三维建模过程中忽略了活塞的某些局部特征如活塞销座内侧的倒角等，而这些倒角对于活塞的性能或许会产生影响，且仅从热负荷问题进行研究，忽略了其他如机械负荷作用所产生的影响。
文献[7]中，针对PA6-280柴油机的钢顶铝裙组合式活塞的热负荷问题，进行该型活塞的三维热分析。利用实验所测的结果与有限元分析所得的结果进行比较，改善有限元分析中的约束情况，得到与实际测量相吻合的三维温度场，从而进一步进行有限元计算，得出计算结果。该文献的不足在于模型中简化了活塞销座和加强筋、螺栓，忽略了活塞顶上表面的换热系数和温度的周期性波动等条件。
综上所述，该种方法的共同缺陷在于运算量大，试验次数多，试验过程繁琐。优点在于能较为准确的得到与实际情况相符合的结果，为活塞机构的合理改善提供了方向。
3 活塞研究存在的问题与发展趋势
活塞对柴油机的排放性能、工作效率、使用寿命等均有影响，并且在很大程度上决定着整個柴油机的使用性能。目前国内在活塞的研究方法上还存在许多的不足，有待解决的问题较多：
①对于活塞模型的建立需要更加精确化，大部分有限元分析模型的活塞都是或多或少的忽略了一些局部的特征，这些特征或许对于活塞的性能会产生较大影响。
②对于活塞运作过程的边界条件需要进一步的确切化，有限元分析活塞时所采用的约束条件大多是基于经验公式的基础之上，要不就是直接利用经验公式，或者就是在试验的基础上修正经验公式所得值，而往往忽略完善经验公式的准确性，在研究的过程中应该在经验公式的基础上，完善经验公式进而得到与真实工作条件相一致的计算公式和理论。
③对于活塞在有限元分析之后的验证性试验有待进一步加强，目前大多数的研究者都是在有限元分析之后给出一系列分析结果为活塞结构性能的提高提供了理论依据和重要参考，往往缺少一定的实践环节。这是需要着重加强的一点。从理论到实践再到理论，才是一条完整的科研闭环。
随着有限元研究技术的不断发展，以及活塞研究的不断深入，相信在未来这些问题一定都会得到优化解决。
参考文献：
[1]蔡翌辉，刘畅，郭豪杰，温艳，汪舟，谢乐春.高强度柴油机活塞温度与应力场有限元分析及其结构改进[J].内燃机工程，2020，41（01）：1-11.
[2]吴喜骊，蒋芳，徐斌.发动机活塞温度场试验与有限元分析[J].现代制造工程，2012（01）：76-78，106.
[3]刘延栋，刘世英，苏茂蔚，张毅，孙树森.不同金相等级活塞的有限元分析[J].汽车技术，2017（04）：53-57.
[4]张俊红，何振鹏，等.柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究.内燃机学报[J]，2011，19（1）：18-83.
[5]原彦鹏，等.高强化内燃机活塞瞬态温度场分布规律研究.内燃机工程[J].2015，26（4）：35-38.
[6]雷基林，申立中，等.4100QBZ型增压柴油机活塞温度场试验研究及有限元分析.内燃机学报[J].2007，25（5）：445-450.
[7]马哲树，姚寿广.高强化柴油机组合活塞温度场的三维数值模拟.车用发动机[J].2013，2：20-23.
关键词：柴油机;活塞机构;有限元分析
0 引言
柴油机是目前国内外广泛使用的动力设备之一，在生产、生活各方面都起着十分重要的作用，但由于近年以来，国际竞争的加剧以及国际环境的恶化，由此对于柴油机的各方面性能提出了新的要求和指标。活塞作为柴油机上工作条件最为恶劣的零部件之一，是影响柴油机整机性能的重点所在，于是便出现了围绕活塞的性能而展开的一系列研究。随着近代以来，电子计算机技术的迅猛发展，运用计算机分析软件对于机械零部件进行分析运算，已经趋于成熟，并且应用广泛，现已深入到分析各类机械的零部件[1]。运用大型的有限元分析软件，就机械负载、热能负荷、温度场等综合作用下活塞的应变情况，以及燃烧室的不同类型和位置对活塞性能的影响等进行分析，然后利用计算结果改善活塞的结构设计，进而研制结构合理、性能优良的活塞，业已成为现今国内外研究活塞的主要方向。
目前国内关于柴油机活塞方面的研究还处于初步探索阶段，而国外对于活塞方面的研究则较为成熟，而且许多研究技术和研究专利都被国外垄断，因此，就活塞的各方面性能进行有限元分析，对于完善我国柴油机发展领域、提高我国柴油机设计研发水平和打破国外在柴油机活塞技术上的垄断地位具有十分重要的作用和意义。
本文就目前关于柴油机活塞在有限分析方面所取得的一些成果和存在的一些缺陷进行对比分析，旨在探索出一条更为有效的分析活塞的研究道路，从而进一步拓宽活塞的各方面性能研究，弥补活塞研究现状中的不足。
1 活塞的研究现状
在柴油机运转过程中，活塞长期承受着周期交变的机械负荷和热负荷的作用，因此，活塞是柴油机零部件中最易出现故障的零部件之一。活塞对柴油机的使用寿命、动力性能、稳定程度、经济状况等都起着举足轻重的作用。
目前国外对于柴油机活塞的研究较为完备，研究情况可以追溯到几十年前，如美国、德国、日本等都在活塞方面进行了深入而细致的研究，先后研制出了满足不同用途的多种柴油机活塞，使得活塞的结构也发生了巨大变化。八十年代，德国道依茨公司针对活塞运动过程的噪音和提高效率等因素，通过合理设计活塞顶部的燃烧室，从而改善了活塞在运动过程中的噪音情况，并且有效的提高柴油机的效率。另外，美国NTA-cumnins、德国Arlschmi-dt、意大利NOVA等公司根据研究实验而设计出耐高温、体积稳定性好、使用寿命高的柴油机活塞。
随着活塞工作要求的不断提高，与之相适应的活塞设计技术也不断发展，并出现了许多新的方向，其中最为重要的发展方向便是基于有限元方法的分析应用技术。相比传统活塞设计成本高、周期长、数据有限、测试结果受相关条件的影响以至难以达到满意的设计效果等问题，有限元分析方法则有效的解决了这诸多困难。通过有限元技术进行活塞的分析，不仅可以较好的模拟出真实的工作状况，并且大大缩减了生产、制造、试验所花费的人力、物力以及时间，其所提供的分析结果可以合理且可靠地指导活塞的进一步设计完善，因此被广泛应用。
通过对活塞的有限元研究，仿真分析活塞在受热负荷、机械负荷时，其热变形与温度场情况，进而得出活塞在设计方面的缺陷与不足，加以改善。对于有限元方法应用于活塞的研究，国外比国内起步要早，研究成果也更为突出。目前国内基于有限元对活塞的分析研究还处于初始阶段，但也取得了一定的成果，如吴喜骊[2]等基于活塞的热负荷情况，通过热电偶法测量活塞的温度，建立有限元模型进行活塞的耦合分析;刘延栋[3]等通过有限元分析活塞材料微观金相结构对活塞工作性能的影响，这些成果都为活塞的改进提供了参考。
2 活塞的有限元研究方法
随着有限元技术的迅猛发展，国内外研究学者对活塞进行了一系列的研究，研究领域包括：机械应力、机械应变、热应力、热疲劳、温度场及其他机械强度等，并在此基础之上开展了冲击、瞬态温度场、润滑油膜等方面一系列的研究。活塞在利用有限元研究的方向上不断的拓宽，且研究的深度不断加强。
有限元分析的主要步骤可以概括为三步：
①建立有限元研究模型;
②确定有限元研究的边界条件;
③求解有限元分析的结果。
目前国内关于活塞的有限元分析还处于初级探索阶段，但已经初具规模，且大部分的研究方法和研究方向都趋近于相似，大部分的研究方法都缺少一定的验证性试验。通过比对数十篇有限元软件在活塞中的应用实例之后，可将其分析方法大致分为两个方面：
2.1 数据——分析——结果
该类方法是利用试验所得数据和柴油机标定工况下的基本运行数据，与现今较为公认的活塞理论整合之后代入到计算机中进行有限元分析运算，得出运算结果，进而为活塞的性能改善提供依据。
文献[4]中，利用基本数据并直接采用有限元方法对于某活塞进行温度分布情况分析，并将结果代入到多体动力学分析模型中，分析活塞的侧推力对活塞应力分布产生的影响，计算活塞在熱负荷、机械负荷和热机负荷耦合作用下活塞的应力和应变情况。该文献的不足在于对于活塞的温度载荷边界条件考虑得不够全面，且将活塞的温度视为稳定的温度场，忽略了温度波动的影响。
文献[5]中，直接应用有限元分析软件，建立某内燃机活塞的三维有限元分析模型，利用估算的瞬态交变热应力计算了瞬态过程中和快速冷启动过程中活塞温度场和热应力情况。该文献的不足在于模型只建立了四分之一的模型，忽略了模型建立的整体性，而对于活塞顶部非稳态热弹性应力采取了一系列的假设条件，因此，所得结果还具有一定的改善空间。 综上所述，该种方法的主要不足之处在于只是利用基本数据和经验公式进行分析，缺少对于经验公式的验证环节，只能为活塞的改善提供一定的借鉴。
2.2 数据——分析——比对——校正——结果
该类方法利用基本数据和经验公式进行分析，进而得到一系列的计算结果，再与实际应用情况进行对比，反馈计算机更正约束条件，尽量使计算条件与实际情况相符，从而进一步分析，得到分析结果。
文献[6]中，针对4100QBZ型涡轮增压柴油机活塞热负荷高的问题。通过对活塞进行硬度塞测温法实测了一系列具有特征性的温度数据，然后利用有限元软件将测得的温度数据代入到计算机中，按照现今较为公认的活塞传热边界条件与实际测量数值进行综合，以此作为活塞的约束条件，得到该活塞在标定工况下的温度场、热应力场及变形情况，为活塞温度场有限元分析计算提供了参考。该文献的不足在于进行三维建模过程中忽略了活塞的某些局部特征如活塞销座内侧的倒角等，而这些倒角对于活塞的性能或许会产生影响，且仅从热负荷问题进行研究，忽略了其他如机械负荷作用所产生的影响。
文献[7]中，针对PA6-280柴油机的钢顶铝裙组合式活塞的热负荷问题，进行该型活塞的三维热分析。利用实验所测的结果与有限元分析所得的结果进行比较，改善有限元分析中的约束情况，得到与实际测量相吻合的三维温度场，从而进一步进行有限元计算，得出计算结果。该文献的不足在于模型中简化了活塞销座和加强筋、螺栓，忽略了活塞顶上表面的换热系数和温度的周期性波动等条件。
综上所述，该种方法的共同缺陷在于运算量大，试验次数多，试验过程繁琐。优点在于能较为准确的得到与实际情况相符合的结果，为活塞机构的合理改善提供了方向。
3 活塞研究存在的问题与发展趋势
活塞对柴油机的排放性能、工作效率、使用寿命等均有影响，并且在很大程度上决定着整個柴油机的使用性能。目前国内在活塞的研究方法上还存在许多的不足，有待解决的问题较多：
①对于活塞模型的建立需要更加精确化，大部分有限元分析模型的活塞都是或多或少的忽略了一些局部的特征，这些特征或许对于活塞的性能会产生较大影响。
②对于活塞运作过程的边界条件需要进一步的确切化，有限元分析活塞时所采用的约束条件大多是基于经验公式的基础之上，要不就是直接利用经验公式，或者就是在试验的基础上修正经验公式所得值，而往往忽略完善经验公式的准确性，在研究的过程中应该在经验公式的基础上，完善经验公式进而得到与真实工作条件相一致的计算公式和理论。
③对于活塞在有限元分析之后的验证性试验有待进一步加强，目前大多数的研究者都是在有限元分析之后给出一系列分析结果为活塞结构性能的提高提供了理论依据和重要参考，往往缺少一定的实践环节。这是需要着重加强的一点。从理论到实践再到理论，才是一条完整的科研闭环。
随着有限元研究技术的不断发展，以及活塞研究的不断深入，相信在未来这些问题一定都会得到优化解决。
参考文献：
[1]蔡翌辉，刘畅，郭豪杰，温艳，汪舟，谢乐春.高强度柴油机活塞温度与应力场有限元分析及其结构改进[J].内燃机工程，2020，41（01）：1-11.
[2]吴喜骊，蒋芳，徐斌.发动机活塞温度场试验与有限元分析[J].现代制造工程，2012（01）：76-78，106.
[3]刘延栋，刘世英，苏茂蔚，张毅，孙树森.不同金相等级活塞的有限元分析[J].汽车技术，2017（04）：53-57.
[4]张俊红，何振鹏，等.柴油机活塞热负荷和机械负荷耦合研究.内燃机学报[J]，2011，19（1）：18-83.
[5]原彦鹏，等.高强化内燃机活塞瞬态温度场分布规律研究.内燃机工程[J].2015，26（4）：35-38.
[6]雷基林，申立中，等.4100QBZ型增压柴油机活塞温度场试验研究及有限元分析.内燃机学报[J].2007，25（5）：445-450.
[7]马哲树，姚寿广.高强化柴油机组合活塞温度场的三维数值模拟.车用发动机[J].2013，2：20-23.