文献综述
1.研究背景
活塞作为发动机中主要传动和承载部件，在发动机工作过程中同时承受着热负荷和机械负荷的作用。随着对发动机高功率、高扭矩以及高转速的不断追求,对活塞使用性能、疲劳强度和可靠性的要求也越来越高。传统的研究方法是建立在简单模型、经验公式和大量试验基础之上的。计算机技术的迅速发展使得仿真技术成为与理论研究、实验研究并行的三大科学研究方法之一。仿真技术用于活塞可靠性的研究，不仅节省了大量的人力物力，降低了研究成本，也大大缩短了研制周期。本课题针对活塞进行3D建模和仿真模拟，以分析活塞在恶劣工作环境中疲劳，机械损失模式。在汽车上和其他工业领域中发动机活塞式最复杂的组成部分之一。发动机可以被叫做汽车的心脏然而活塞可以被称之为发动机最重要的一个部分。本文收集了国内外各种发动机活塞的疲劳，强度分析的文献，其中部分文献只涉及某一方面活塞，而一些文献涉及各领域发动机活塞。对活塞疲劳强度进行了可靠性分析和可靠度计算。从而为分析发动机活塞的失效模式和失效机理提供参考。
- 国内外研究情况
在汽车上和其他工业领域中发动机活塞式最复杂的组成部分之一。发动机可以被叫做汽车的心脏然而活塞可以被称之为发动机最重要的一个部分。围绕活塞的损坏模式，国内外学者和研究人员做了深入研究，取得了相当多的研究成果。主要都是针对活塞环槽，活塞头部，活塞裙部，活塞销孔等各个位置疲劳和损坏模式进行研究。
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- 国外研究现状
在当今的各个领域，发动机的发展一直趋向于大功率，高效率。而活塞作为发动机的心脏，随着发动机性能需求的提高对活塞的各项性能也大大提高。活塞运用于各个领域，包括了火车，摩托车，汽车，工程机械等等，而发动机又分为柴油机和汽油机，因此不同的活塞失效模式应是不同的。但都存在很多共同点，如F.S. Silva所著的《Fatigue on engine pistons – A compendium of case studies》中就对柴油机活塞，汽油机活塞进行了失效模式分析。从活塞的头部，裙部，环槽，销孔等角度对裂痕的产生进行了分析。研究通过观察数个有裂纹的活塞和活塞切块进行推测和工作模拟，对于汽油机活塞，活塞的顶部燃烧室中心的位置到两侧销孔的应力最大，活塞环槽断裂原因主要是因为活塞环在槽内位置改变导致环槽受力变大的缘故，而裙部的磨损主要是因为活塞和气缸壁之间存在的空隙，使活塞在运动时相对气缸壁会产生转角，从而使得裙部和气缸壁之间有摩擦。而柴油机除了和汽油机活塞相同的损坏模式之外，柴油机点燃和燃烧室的结构也导致燃烧室边缘也存在巨大热应力。此外研究还基于失效模式提供了部分优化方案供参考：局部加强，在销孔位置使用轴瓦，在受力大工作情况恶劣的工作面镀膜；材料，对活塞的材料和制造工艺进行优化。
我们可以参考这些已有的失效模式对活塞进行仿真模拟。
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- 国内研究现状
国内也有大量学者对发动机活塞的损坏和失效进行了分析研究，李小泉，王建平，苗伟驰，吕良恺，郭一平，马浩等学者先后对柴油机的活塞进行了仿真设计，李小泉和王建平学者认为活塞工作时温度最高处位于燃烧室边沿处，虽然不是应力最大的部位但是确是寿命最短的位置，说明温度对活塞寿命有很大影响。苗伟驰，吕良恺，郭一平，马浩学者的研究则主要确定了活塞销座部位是最危险部位，应力最大，其次就是活塞第一油环的位置。通过建立活塞有限元模型；活塞温度和热变形分析对活塞进行了评价。得出主要结论：活塞最高温度位于燃烧室喉口部位，这可能导致燃烧室周围出现大量裂痕，活塞销孔的表面压力与大部分位置疲劳系数可以接受。在活塞设计阶段使用ANSYS有限元分析和FE-SAFE疲劳评价进行分析可降低研费用，提高产品可靠性。
在《柴油机铝合金活塞疲劳寿命预测》中，王建平学者采用了铝合金活塞作为研究对象，对柴油机铝合金活塞疲劳寿命预测。同样的文章通过建模，对活塞各工况下温度进行模拟，分析应力分布和变形量，最终得出了相似的结论：活塞最高温度位于燃烧室喉口部位，在活塞设计阶段使用ANSYS有限元分析和FE-SAFE疲劳评价进行分析可降低研费用，提高产品可靠性。而且证明分析对象活塞寿命符合要求。同样的，在《活塞结构强度有限元分析》，中选用了11L，420马力的发动机活塞，缸径125mm，通过在活塞上布置测点，结合计算绘制活塞的有限元模型和在最高功率工况下的温度场分布，从而对最大应力部位进行分析。而且文献相比前文文献还对活塞销座失效模式进行了分析，采用了新的感压胶片进行载荷测量。最后对活塞结构强度和疲劳计算分析，得出的结论：活塞顶燃烧室边缘温度最大（和文献其余文献一致），活塞销座边缘与裙部交界处安全系数较小，应力集中，整体活塞是安全的。
另外王小兵和宋飞等学者则对汽油机活塞进行了研究，都认为汽油机活塞应力最大的部分位于活塞销座到活塞顶部的位置，而且活塞变形量最大的部位处于活塞顶部燃烧室中心。田小青学者则对汽油机活塞环岸的可靠性进行了分析，认为环岸高度对环岸工作可靠性影响较大并且环岸高度越高可靠性越高。同时环槽圆角的使用可以增加环岸可靠性。
诸多文献结论总结下来可基本概括为：活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。所以提高活塞的各项性能很重要，而发动机活塞热疲劳，机械疲劳的模拟分析给活塞的设计生产提供了理论基础，是活塞发展不可或缺的一部分。
