何聯(lián)格，周 藍(lán)，蘇建強(qiáng)

（重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院；b.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

內(nèi)燃機(jī)是大國(guó)重器的核心，高速、高效、高功率密度是其發(fā)展的趨勢(shì)?；钊鳛閮?nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，把燃料燃燒壓力傳遞給曲軸的同時(shí)，將承受缸內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱載荷及機(jī)械載荷（簡(jiǎn)稱熱機(jī)載荷）的耦合作用，其表面和內(nèi)部容易出現(xiàn)各種損傷和缺陷，因此其結(jié)構(gòu)可靠性成為制約內(nèi)燃機(jī)整機(jī)可靠性的關(guān)鍵。若活塞的結(jié)構(gòu)可靠性得不到精確的預(yù)測(cè)，將嚴(yán)重制約內(nèi)燃機(jī)的整機(jī)使用壽命。目前數(shù)值仿真計(jì)算方法是當(dāng)前世界上公認(rèn)的對(duì)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)的有效和通用手段，能有效抑制活塞熱機(jī)疲勞、延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)的使用壽命、提高整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性及安全性，其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。隨著內(nèi)燃機(jī)向高速和高功率密度方向的發(fā)展，缸內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱機(jī)載荷成倍增加，客觀上對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高要求和更大挑戰(zhàn)，因此現(xiàn)階段對(duì)活塞數(shù)值仿真計(jì)算呈現(xiàn)出邊界條件精準(zhǔn)化、計(jì)算方法多樣化和學(xué)科知識(shí)交叉化的發(fā)展趨勢(shì)。

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于內(nèi)燃機(jī)活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算方法的研究進(jìn)展分為了5個(gè)階段：對(duì)早期活塞進(jìn)行自編程強(qiáng)度計(jì)算分析、結(jié)合商用軟件的活塞溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析、熱機(jī)載荷耦合作用下活塞應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算分析、活塞高周熱機(jī)疲勞和低周熱疲勞以及考慮加工工藝的活塞結(jié)構(gòu)可靠性等數(shù)值仿真計(jì)算分析方法，并對(duì)其發(fā)展過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)評(píng)述，在此基礎(chǔ)上指出了活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算方法的發(fā)展趨勢(shì)，提出我國(guó)自主化活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的急迫性，以期全面提升我國(guó)內(nèi)燃機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算水平。

1 自編程數(shù)值仿真計(jì)算分析

早期由于受到數(shù)值仿真計(jì)算基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)可靠性分析多采用自己編制算法對(duì)一維、二維以及簡(jiǎn)單的三維問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算分析。文獻(xiàn)［1］對(duì)活塞進(jìn)行過(guò)該類分析，但這些分析方法因過(guò)于簡(jiǎn)單，已不適合現(xiàn)階段對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性研究的需要，因此本文不再對(duì)其進(jìn)行贅述。

2 結(jié)合商用軟件數(shù)值仿真計(jì)算分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大批有限元商用軟件，例如 ANSYS、HYPERMESH、ABAQUS、MCS.PATRAN、MCS.NASTRAN、ADINA等得到了蓬勃發(fā)展。在早期結(jié)合商用軟件對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算分析時(shí)多采用活塞的1/4或1/2模型作為分析對(duì)象，文獻(xiàn)［4-5］便是以該方法對(duì)活塞結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行了分析。雖然將活塞簡(jiǎn)化為二維或者三維對(duì)稱模型進(jìn)行分析可以很大程度上減少計(jì)算量和工作時(shí)間，但是對(duì)活塞結(jié)構(gòu)局部細(xì)節(jié)的受力及受熱分析仍存在不足，進(jìn)而導(dǎo)致最后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際差異較大。

近年來(lái)，結(jié)合商用軟件對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性的數(shù)值仿真計(jì)算分析方法變得更加完整，主要圍繞三維非對(duì)稱活塞模型在機(jī)械載荷作用下的應(yīng)力場(chǎng)、熱載荷作用下的溫度場(chǎng)以及熱載荷作用下的熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析。

2.1 機(jī)械載荷與熱載荷單獨(dú)作用下的應(yīng)力場(chǎng)

活塞應(yīng)力場(chǎng)包括由缸內(nèi)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的機(jī)械載荷引起的機(jī)械應(yīng)力和熱載荷引起的熱應(yīng)力。程文虎［6］在對(duì)活塞機(jī)械載荷作用下應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值仿真計(jì)算研究中，考慮了活塞頂部燃?xì)鈮毫?、銷座支反力、慣性力以及側(cè)推力對(duì)活塞的綜合影響后，得出了活塞最大變形位于活塞頂部邊緣處以及最大耦合拉應(yīng)力位于銷座下側(cè)與裙部?jī)?nèi)側(cè)過(guò)渡處和底部凸緣處的結(jié)論。由于不合理的約束和動(dòng)態(tài)邊界條件，不能得到僅由活塞溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力，因此Lu Y H等［7］提出了新型的柴油機(jī)活塞熱應(yīng)力分析方法，即在得到活塞熱機(jī)耦合應(yīng)力場(chǎng)和機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)之后，對(duì)耦合應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行解耦得到熱應(yīng)力場(chǎng)，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。

2.2 熱載荷作用下的溫度場(chǎng)

在對(duì)活塞溫度場(chǎng)的研究中，葉曉明等［8］采用有限元法對(duì)無(wú)冷卻噴嘴、1個(gè)噴嘴底噴冷卻、2個(gè)噴嘴底噴冷等3種不同的冷卻方式下活塞穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了研究，并得出活塞第一道環(huán)槽溫度偏高是影響活塞壽命的重要因素。雷基林［9］研究得出，燃燒室形狀和燃燒室位置對(duì)增壓柴油機(jī)活塞穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布都存在一定的影響。王忠瑜［10］研究了活塞頂部厚度對(duì)活塞穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的影響，研究表明活塞頂部厚度越小，活塞的整體溫度越高。Liu Y等［11］在對(duì)影響活塞瞬態(tài)溫度場(chǎng)關(guān)鍵因素的研究中，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上分析了主要邊界條件與特征點(diǎn)溫度之間的相關(guān)性，揭示了相應(yīng)的數(shù)量相關(guān)性，瞬態(tài)計(jì)算方法被證明是科學(xué)有效的，為界定邊界條件鋪平了道路。同時(shí)，在對(duì)柴油機(jī)活塞非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)研究中［12］，通過(guò)周期性瞬態(tài)熱分析表明，活塞與燃?xì)饨佑|表面是溫度波動(dòng)的主要區(qū)域。

在對(duì)活塞溫度場(chǎng)更深一步的研究中發(fā)現(xiàn)，先進(jìn)冷卻技術(shù)對(duì)活塞溫度場(chǎng)分布具有重要影響。Sun W F等［13］的研究結(jié)果表明：活塞在無(wú)冷卻條件下具有比有冷卻條件下更高的熱負(fù)荷和綜合應(yīng)力，且無(wú)冷卻條件下會(huì)導(dǎo)致活塞頭部產(chǎn)生更大的熱變形，該研究結(jié)果也促使研究學(xué)者需要對(duì)活塞的先進(jìn)冷卻技術(shù)進(jìn)行深入研究。目前活塞主要冷卻方式有底部噴油冷卻、蛇管冷卻、熱管冷卻和振蕩冷卻等幾種方式，其中振蕩冷卻是現(xiàn)階段柴油機(jī)的主流冷卻方式［14］。針對(duì)活塞振蕩冷卻問(wèn)題，章健等［15］通過(guò)對(duì)比活塞溫度場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果和硬度塞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)流換熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型可有效預(yù)測(cè)活塞內(nèi)冷油腔的傳熱系數(shù)，能為內(nèi)冷油腔的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。Yong Y等［16］利用數(shù)值仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法驗(yàn)證了活塞內(nèi)冷油腔的振蕩傳熱數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。張衛(wèi)正等［17］研究發(fā)現(xiàn)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，活塞內(nèi)冷油腔的機(jī)油填充率下降，但是壁面換熱系數(shù)卻有所提高；同時(shí)，機(jī)油的振蕩沖擊對(duì)內(nèi)冷油腔頂部和底部的強(qiáng)化換熱明顯高于側(cè)壁。Zhu N L等［18］對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞內(nèi)冷油道振蕩冷卻特性進(jìn)行了仿真研究，研究表明：油道壁的平均溫度隨著冷卻油道高度的增加而降低；在降低活塞平均溫度時(shí)，注油率的貢獻(xiàn)大于油道結(jié)構(gòu)。

冷卻油腔的位置和形狀同樣對(duì)活塞振蕩冷卻有一定的影響。宗明景等［19］的研究結(jié)果表明：活塞冷卻油腔軸向上移，活塞頂部和第一環(huán)槽溫度能得到有效降低。Liu J X等［20］的研究結(jié)果表明：冷卻通道的軸向位置對(duì)活塞溫度有明顯影響，冷卻通道的徑向位置對(duì)活塞的熱應(yīng)力影響很大。雷基林等［21］研究結(jié)果表明：內(nèi)冷油腔靠近活塞頂面和環(huán)槽底面時(shí)，能顯著降低活塞最高溫度及第一環(huán)槽溫度；但內(nèi)冷油腔過(guò)于靠近活塞壁面時(shí)，活塞第三環(huán)槽及內(nèi)腔頂面區(qū)域會(huì)出現(xiàn)較大的局部熱應(yīng)力。李闖等［22］在對(duì)活塞冷卻油腔形狀的研究中，采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)設(shè)計(jì)的9種不同形狀的油腔進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：冷卻油腔形狀對(duì)活塞溫度場(chǎng)影響較大，油腔高度對(duì)活塞溫度場(chǎng)的影響最為明顯。

3 熱機(jī)載荷耦合作用下數(shù)值仿真計(jì)算分析

因?yàn)榛钊趦?nèi)燃機(jī)運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)受到燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱載荷和機(jī)械載荷的影響，單獨(dú)考慮活塞的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)活塞的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算分析與活塞實(shí)際運(yùn)行工況是不相符的，所以必須考慮在熱機(jī)載荷耦合作用下活塞的實(shí)際工作情況，對(duì)活塞在熱機(jī)載荷耦合作用下的結(jié)構(gòu)可靠性問(wèn)題進(jìn)行研究。

張俊紅等［23］對(duì)柴油機(jī)活塞在熱機(jī)載荷耦合作用下的結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合應(yīng)力數(shù)值仿真計(jì)算研究表明，活塞的變形主要是在熱載荷作用下的熱變形。Wang Y X等［24］對(duì)QT 300活塞在熱機(jī)載荷耦合作用下的結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算研究表明，最高溫度位于活塞頂部，最低溫度位于活塞裙邊，最高耦合應(yīng)力位于活塞銷孔上方的內(nèi)邊界。Liu Q等［25］研究表明，活塞在熱機(jī)載荷耦合作用下，耦合應(yīng)力最大值位于銷座與銷孔接觸面上以及銷孔上方銷座內(nèi)側(cè)，因此建議在活塞頸部與活塞銷座之間設(shè)置加強(qiáng)肋以提高銷座的實(shí)際承載能力。為了更加精確反映活塞受力及變形情況，賴菲［26］對(duì)活塞的幾個(gè)危險(xiǎn)部位進(jìn)行了熱機(jī)耦合瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算分析，并得到了活塞的耦合應(yīng)力載荷譜，耦合計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際工況。

同時(shí)，相關(guān)學(xué)者在活塞熱機(jī)載荷耦合作用下活塞結(jié)構(gòu)熱機(jī)耦合應(yīng)力數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果研究成果的基礎(chǔ)之上對(duì)活塞進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化。高暉［27］在對(duì)QT300活塞進(jìn)行熱機(jī)耦合應(yīng)力場(chǎng)分析之后，對(duì)活塞銷孔和活塞頭部進(jìn)行了形狀優(yōu)化，提高了活塞可靠性。寧海強(qiáng)等［28］根據(jù)活塞在熱機(jī)耦合作用下的位移場(chǎng)分布情況，對(duì)活塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，降低了活塞工作時(shí)的最高溫度。

在活塞熱機(jī)耦合應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算的研究成果的基礎(chǔ)上，相關(guān)學(xué)者對(duì)活塞的疲勞壽命展開(kāi)了數(shù)值仿真計(jì)算分析。Liu X F等［29］為了研究活塞加速疲勞壽命與其運(yùn)行方式之間的關(guān)系，分別計(jì)算了活塞在不同應(yīng)力條件下的壽命，結(jié)果表明：逆冪律模型與僅受機(jī)械應(yīng)力活塞的加速壽命吻合良好；廣義Eyring模型能夠很好地計(jì)算活塞在熱機(jī)耦合作用下的疲勞壽命。Floweday G等［30］在對(duì)柴油機(jī)活塞的熱機(jī)疲勞損壞和失效的研究中發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致活塞斷裂的原因是由于過(guò)大的熱機(jī)載荷致使初生硅相開(kāi)裂和隨后的微裂紋形成，這種微裂紋的漸進(jìn)式形成將導(dǎo)致足夠大的缺陷，通過(guò)高周疲勞機(jī)制引發(fā)傳播。

4 高周熱機(jī)疲勞和低周熱疲勞數(shù)值仿真計(jì)算分析

除前述對(duì)活塞進(jìn)行熱機(jī)耦合應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算分析外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了高周熱機(jī)疲勞和低周熱疲勞數(shù)值仿真計(jì)算分析研究。

4.1 高周熱機(jī)疲勞仿真計(jì)算分析

針對(duì)活塞高周熱機(jī)疲勞的研究，許春光等［31］基于FEMFAT疲勞分析軟件，考慮溫度場(chǎng)及各種修正因素影響對(duì)活塞單工況下高周熱機(jī)疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以及采用雙線性累積損傷準(zhǔn)則對(duì)柴油機(jī)考核工況下活塞疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，采用雙線性累積損傷準(zhǔn)則可便捷地進(jìn)行多工況周期性熱機(jī)載荷作用下活塞高周熱機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)。Krishnankutty P等［32］對(duì)近共晶鋁硅合金活塞的高周疲勞性能研究表明，擠壓鑄造的活塞合金具有高疲勞極限的特性。

4.2 低周熱疲勞仿真計(jì)算分析

針對(duì)活塞低周熱疲勞的研究，徐春龍等［33］以局部應(yīng)力-應(yīng)變理論Manson-Coffin公式和線彈性有限元理論為基礎(chǔ)，總結(jié)出了在熱疲勞與高溫蠕變相互作用下活塞的低周熱疲勞壽命預(yù)測(cè)公式。胡定云等［34］基于疲勞分析軟件FE-FATIGUE中的E-N方法，對(duì)鋁合金活塞進(jìn)行了低周熱疲勞壽命預(yù)測(cè)，數(shù)值仿真計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。許春光等［35］基于FEMFAT疲勞分析軟件中的HEAT Sehitoglu模塊，對(duì)活塞進(jìn)行了多損傷因素下低周熱疲勞壽命預(yù)測(cè)，為活塞優(yōu)化提供了依據(jù)。

Zhang W Z等［36］研究了鋁硅合金材料在不同溫度下的低周熱疲勞失效和在高溫下壓縮蠕變-疲勞失效過(guò)程中的微觀組織演變過(guò)程和斷裂機(jī)理，并總結(jié)了這2種試驗(yàn)載荷下鋁硅合金材料的損傷模式。顯微觀察表明：在一定程度上，壓縮蠕變?cè)诟邷叵碌淖饔每梢苑乐共牧蟽?nèi)大尺寸裂紋的萌生和擴(kuò)展，并防止在低周熱疲勞載荷下快速發(fā)展的損傷。

但是，目前對(duì)活塞用鋁硅合金材料在不同溫度下低周熱疲勞性能和損傷機(jī)理的準(zhǔn)確合理表征相對(duì)較少［37］。此外，低周熱疲勞壽命預(yù)測(cè)模型、加載溫度、熱機(jī)載荷相位與材料微觀結(jié)構(gòu)損傷演變之間的綜合關(guān)系尚不十分清楚。到目前為止，學(xué)者們已經(jīng)提出了較多的低周熱疲勞壽命預(yù)測(cè)模型［38-40］，它們大致可以分為應(yīng)力準(zhǔn)則、應(yīng)變準(zhǔn)則、應(yīng)力-應(yīng)變準(zhǔn)則和能量準(zhǔn)則等4類。然而，在高溫條件下使用應(yīng)力或應(yīng)變模型對(duì)鋁硅合金活塞進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，將會(huì)出現(xiàn)如下問(wèn)題：①鋁硅合金的循環(huán)應(yīng)力具有明顯的循環(huán)軟化特性，在高溫下，活塞低周熱機(jī)疲勞期間循環(huán)應(yīng)力降低，循環(huán)應(yīng)變?cè)黾?；②溫度的變化?duì)材料的應(yīng)力和應(yīng)變響應(yīng)有顯著影響；③ 基于應(yīng)變的Manson-Coffin公式，忽略了應(yīng)力變化對(duì)抗疲勞性能的影響，無(wú)法對(duì)異常疲勞壽命給出合理的解釋；④模型無(wú)法評(píng)估不同溫度下的活塞低周熱疲勞特性。Liu R等［41］和Shao C W等［42］研究表明，與應(yīng)變幅相比，滯后能量是評(píng)估低周疲勞損傷的最佳選擇。Wang M等［43］研究了不同溫度下鋁硅合金活塞的裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和熱機(jī)疲勞壽命以及相應(yīng)的損傷機(jī)理等低周熱疲勞行為，提出并分析了基于滯后能量的模型以及與作為溫度函數(shù)損傷機(jī)制相關(guān)的相應(yīng)參數(shù)。Zhang G H等［44］針對(duì)鋁硅合金活塞，詳細(xì)描述了其斷裂過(guò)程，提出了疲勞斷裂模型。Wang M等［45］在此基礎(chǔ)上基于滯后能量和應(yīng)變率修正，考慮疲勞和蠕變耦合損傷，提出了一種新的基于能量的低周疲勞和熱機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果與鋁硅合金活塞的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合。Zhang W X等［46］研究表明鋁硅合金活塞的熱機(jī)疲勞裂紋擴(kuò)展速率和等效應(yīng)變范圍不依賴于試樣的形狀和尺寸。

5 工藝條件下可靠性數(shù)值仿真計(jì)算分析

活塞的加工工藝流程主要有鑄造、粗精車、鏜銷孔、表面處理等。圍繞活塞加工工藝條件下結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算方法的研究也在蓬勃發(fā)展。

5.1 考慮鑄造工藝的活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真

鑄造是一種包含了大量復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程的金屬成型方法?；钊T件的質(zhì)量與澆注過(guò)程、生產(chǎn)環(huán)境密切相關(guān)，且鋁硅合金材料具有復(fù)雜的凝固行為和組織結(jié)構(gòu)形態(tài)，由于活塞鑄件結(jié)構(gòu)、金屬熔煉以及工藝設(shè)計(jì)等方面原因，活塞鑄件會(huì)出現(xiàn)熱裂紋或者在某些部位產(chǎn)生過(guò)大的殘余變形缺陷，這2種鑄造缺陷都直接與凝固過(guò)程中熱應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)。同時(shí)在鑄造過(guò)程中會(huì)伴隨著各種鑄造缺陷，如縮松、氣孔、冷裂、夾渣等。這些缺陷的存在不僅破壞材料的局部連續(xù)性，也大幅度地降低了活塞用鋁硅合金材料的力學(xué)性能和機(jī)械性能，使得材料過(guò)早斷裂和失效，嚴(yán)重地影響了活塞的服役性能和結(jié)構(gòu)可靠性。

關(guān)于考慮鑄造工藝的活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真，吳軍等［47］采用 ProCAST鑄造仿真軟件，對(duì)ZL104鋁合金活塞砂型重力鑄造過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，依據(jù)模擬結(jié)果，分析了鑄件充型凝固過(guò)程的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并預(yù)測(cè)出缺陷形成區(qū)域，建立了工藝優(yōu)化措施。秦文真等［48］采用ProCAST軟件，對(duì)鋁合金活塞澆鑄過(guò)程中模具的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，根據(jù)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)仿真結(jié)果，預(yù)測(cè)了活塞模具的易失效區(qū)域，通過(guò)與實(shí)際失效結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果中易失效區(qū)域位置與實(shí)際模具失效區(qū)域位置相吻合。沈家棟等［49］利用ProCAST軟件，針對(duì)ZL108鋁合金活塞鑄造工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，利用正交試驗(yàn)法考察了澆注溫度、澆注速度、模具溫度3個(gè)工藝參數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了晶粒尺寸、縮松縮孔分布、充型率等幾個(gè)方面的綜合評(píng)分。

然而，內(nèi)燃機(jī)活塞在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，針對(duì)活塞殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算，張衛(wèi)正等［50］的研究結(jié)果表明：鋁合金活塞頂面殘余應(yīng)力沿切削方向呈現(xiàn)兩頭小中間大并沿深度方向呈現(xiàn)由殘余拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的分布規(guī)律，且最大殘余拉應(yīng)力隨切削速度增加而增大，但增大率減?。徊捎弥饘鱼@孔法測(cè)量了深度方向殘余應(yīng)力的分布，對(duì)不同切削速度下已加工表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，驗(yàn)證了可靠性數(shù)值仿真計(jì)算所得的殘余應(yīng)力變化規(guī)律的正確性。

但關(guān)于活塞鑄造殘余應(yīng)力和鑄造缺陷可靠性數(shù)值仿真計(jì)算分析的研究較少，為了完整和準(zhǔn)確地對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞的結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算分析，將活塞的鑄造過(guò)程模擬、結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)分析和熱機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，充分考慮鑄造殘余應(yīng)力和鑄造缺陷對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)械性能及服役性能的影響，對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算也將是未來(lái)的發(fā)展方向。

5.2 結(jié)構(gòu)表面仿生數(shù)值仿真

生物界中許多物種在進(jìn)化過(guò)程中形成了抗疲勞的可靠性體表形態(tài)，相關(guān)學(xué)者已將這些非光滑形態(tài)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)中。

關(guān)于活塞結(jié)構(gòu)表面仿生，吳波進(jìn)行了大量研究［51-54］，其研究結(jié)果表明：表面帶有凹坑和通孔的內(nèi)燃機(jī)活塞，可以起到儲(chǔ)油、存屑改善潤(rùn)滑的作用，同時(shí)可卸載活塞油環(huán)槽處的集中應(yīng)力，提高內(nèi)燃機(jī)工作效率；仿生活塞在卸載活塞回油孔集中應(yīng)力和減阻、耐磨性能均高于標(biāo)準(zhǔn)活塞；貫穿于活塞裙部的軸向的淺窄大間距條紋可提高活塞疲勞壽命；對(duì)仿生活塞性能的影響從高到低依次是條紋寬度、條紋深度和條紋分布模式。國(guó)外Zheng L等［55］的研究結(jié)果表明，硬度梯度與六邊形紋理的仿生耦合可以提高抗磨損性能，為活塞的磨損和摩擦管理提供了新的策略。因此，考慮活塞表面微觀仿生結(jié)構(gòu)對(duì)活塞結(jié)構(gòu)可靠性影響的數(shù)值仿真計(jì)算方法亦為未來(lái)研究的一大熱點(diǎn)。

5.3 表面涂層和陽(yáng)極氧化層數(shù)值仿真

關(guān)于活塞表面熱障涂層的研究，威望等［56］研究了活塞頂面熱障型陶瓷涂層對(duì)溫度場(chǎng)及耦合應(yīng)力場(chǎng)分布的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，在活塞頂面涂覆導(dǎo)熱系數(shù)較低的陶瓷涂層，可減少燃?xì)鈧鬟f給活塞基體的熱量，能起到很好的絕熱效果。Yao Z H等［57-58］的研究結(jié)果表明：涂覆納米氧化鋯熱障涂層活塞的基體溫度比傳統(tǒng)活塞的基體溫度低得多，這表明熱障涂層可有效地為活塞提供熱疲勞保護(hù)并減少熱損傷。雷基林等［59］的研究結(jié)果表明：活塞頂面熱障涂層能有效降低活塞頭部和環(huán)槽區(qū)域的工作溫度；但活塞頂面涂覆熱障涂層后，活塞基體頂面黏結(jié)層區(qū)域的熱應(yīng)力會(huì)急劇升高，活塞基體頂面、喉口區(qū)域以及邊緣棱角處熱應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，易導(dǎo)致熱障涂層的剝落失效。Cerit M等［60-61］研究了涂層厚度對(duì)活塞溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)分布的影響，并通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算方法與未涂覆涂層活塞的結(jié)果進(jìn)行了比較。同時(shí)，其研究了涂覆燃燒室沉積物涂層活塞在均質(zhì)充量壓縮點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布［62］。Zhang J等［63］的研究結(jié)果表明：石墨涂層的涂覆在減少摩擦和抵抗氣缸磨損方面起著重要作用，且石墨涂層的固體潤(rùn)滑劑特性可以在諸如冷啟動(dòng)或運(yùn)行階段的苛刻條件下為耦合元件提供期望的保護(hù)。

楊靖等［64］研究了活塞頂部陽(yáng)極氧化層對(duì)活塞熱載荷的影響，結(jié)果表明：在最大載荷工況下，陽(yáng)極氧化活塞最高溫度較原始活塞最高溫度降低，其最大熱應(yīng)力較原始活塞最大熱應(yīng)力也減小，其他區(qū)域溫度和熱應(yīng)力均有不同程度的減小，證明了陽(yáng)極氧化工藝能降低活塞的熱負(fù)荷，同時(shí)有利于增強(qiáng)活塞的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命。

5.4 燒蝕失效數(shù)值仿真

隨著內(nèi)燃機(jī)向著高速和高功率密度方向發(fā)展，活塞的最高溫度已經(jīng)超過(guò)400℃，甚至超過(guò)鋁合金活塞材料的熔點(diǎn)，會(huì)造成活塞燒蝕等失效破壞的發(fā)生，嚴(yán)重影響柴油機(jī)的正常工作。

在活塞燒蝕失效，張衛(wèi)正進(jìn)行了大量研究［65-67］，研究結(jié)果表明：表面溫度對(duì)鋁合金材料燒蝕的影響最顯著，氣流沖刷角度、燃?xì)馑俣葘?duì)燒蝕的影響則依次減弱，鋁合金材料的燒蝕機(jī)制是熔化燒蝕和氣流剝蝕兩方面的共同作用；柴油機(jī)噴油器噴孔磨損變大將增大活塞發(fā)生燒蝕的可能性，且燒蝕量隨著噴油器孔徑的增大先增大后減?。惶砑友趸X纖維或硼酸鋁晶須均可改善鋁硅合金材料的抗燒蝕性能，其中添加硼酸鋁晶須的鋁硅復(fù)合材料具有最佳的抗燒蝕性能。

6 展望與建議

1）活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算分析總體上呈現(xiàn)邊界條件精準(zhǔn)化、計(jì)算方法多樣化和學(xué)科知識(shí)交叉化的發(fā)展趨勢(shì)。隨著內(nèi)燃機(jī)向高速和高功率密度方向發(fā)展，在保證活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算效率的前提下，如何提高仿真真實(shí)性以及提升仿真精度已成為活塞結(jié)構(gòu)可靠性數(shù)值仿真計(jì)算亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，不同類型活塞的數(shù)值仿真計(jì)算邊界條件、不同仿真類型的計(jì)算方法和多學(xué)科知識(shí)的交叉將推動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算的持續(xù)多樣化，以適應(yīng)未來(lái)活塞結(jié)構(gòu)可靠性仿真的復(fù)雜化和個(gè)性化工程需求。

2）從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)活塞結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算水平與國(guó)外還有差距，其原始技術(shù)幾乎全部從國(guó)外引進(jìn)，不僅耗資巨大，而且技術(shù)核心仍然掌握在國(guó)外企業(yè)手中，這同時(shí)將影響到我國(guó)內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)。為此，必須立足國(guó)情，針對(duì)我國(guó)汽車保有量大的特點(diǎn)，集中產(chǎn)學(xué)研用等行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，完善協(xié)同創(chuàng)新體系，在已有基礎(chǔ)上開(kāi)展持久、全面、深入的理論研究和技術(shù)攻關(guān)工作，以打破國(guó)外技術(shù)封鎖，全面提升我國(guó)活塞結(jié)構(gòu)可靠性仿真計(jì)算能力。