【摘 要】
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活塞作为柴油机燃烧室内的关键零部件,在工作状态下既需要承受高温高压的作用,还会受到机械载荷如惯性力和摩擦力的作用,在进行活塞的设计时,应充分考虑到活塞的性能情况。本文通过对活塞所受到的热负荷和机械负荷进行计算,同时使用有限元仿真模拟的方法得到活塞在工作状态下温度场和应力分布情况,根据计算结果提出优化改进措施,最终达到活塞陶瓷镶块内应力减少10%的目标。（1）对有限元分析理论、温度场分析、热机耦合分
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活塞作为柴油机燃烧室内的关键零部件,在工作状态下既需要承受高温高压的作用,还会受到机械载荷如惯性力和摩擦力的作用,在进行活塞的设计时,应充分考虑到活塞的性能情况。本文通过对活塞所受到的热负荷和机械负荷进行计算,同时使用有限元仿真模拟的方法得到活塞在工作状态下温度场和应力分布情况,根据计算结果提出优化改进措施,最终达到活塞陶瓷镶块内应力减少10%的目标。（1）对有限元分析理论、温度场分析、热机耦合分析及本文所使用到的拓扑优化理论等进行介绍。在此基础上对活塞模型进行三维建模,计算原机活塞模型的温度场和应力场,之后采用的改进活塞性能的方法为将活塞的顶部挖除,而改用具有较好耐热性能的氮化硅陶瓷进行填充,其中陶瓷镶块总厚度为10mm,包含有粘结层和氮化硅陶瓷块。经过计算后得出活塞基体最高温度比原机降低9.2K,说明陶瓷镶块起到了一定的隔热效果。（2）通过对原陶瓷镶块应力分布的分析,发现应力集中主要发生在氮化硅陶瓷层和粘结层的结合部位,出现在该位置的原因是氮化硅陶瓷与铸铝合金之间的弹性模量相差太大,导致出现突变,采用形状优化的方式对结合部位处的倒角大小进行适当的修改,共提出五种改进方案。（3）采用拓扑优化的方式对陶瓷镶块进行改进设计,经过计算后得到新的陶瓷镶块活塞模型,再次对其温度场和热机耦合进行计算,计算结果表明拓扑优化方案比原陶瓷方案基体最高温度降低60.52K,热流量降低19.1%,其优化效果强于形状优化方案。拉应力的最大降幅达到285.51MPa。在陶瓷镶块拓扑优化方案中基体等效应力和陶瓷镶块拉应力均比原陶瓷方案降低大于10%,实现了优化目标。
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