具有仿生条纹结构的内燃机活塞疲劳特性回归分析

活塞不仅是内燃机的主要运动部件而且工作环境最为恶劣。该文通过对活塞形态的改进,来提高活塞减磨、降阻的效用,以延长活塞的疲劳寿命。首先针对内燃机实际工况确定机械和热边界条件,然后对活塞进行热-机耦合仿真分析,观察其应力、应变和变形情况。受到与内燃机活塞运动情况接近的土壤动物蚯蚓的减阻、耐磨体表结构的启发,根据受试活塞外形尺寸,将宏观形态的仿生条纹和通孔设计加工在活塞裙部表面,以达到减磨、散热、提高活塞疲劳寿命的目的。活塞热-机耦合分析结果表明其整体受力为不均匀分布,基于此该文改进研究了变尺寸排布的仿生条纹深度、宽度、列间距。采用三水平三因素正交表制定9种仿生活塞试验方案,采用部分正交多项式回归设计对仿生活塞热-机耦合分析和疲劳寿命预测结果进行对比并优化仿生结构。选取3个最优活塞和标准活塞进行台架试验。最终发现仿生活塞比标准活塞疲劳寿命平均提高了8.8%,磨损量平均减小了90%,顶部温度平均降低了5%。该研究为活塞形态优化改进和延长内燃机整机疲劳寿命提供了参考。