552内燃机科技——中国内燃机学会第八届学术年会论文集
滕建亮
(中航工业南方公司产品设计所，湖南株洲412002)
摘要：本文对活塞式航空发动机关键件活塞销，进行传统方法和有限元两种方法进行计算，并对两种方法进行了比较。 关键词：活塞销；强度计算；有限元
做功、排气。活塞销在每个活塞行程中承受着时刻1航空发动机活塞销简介
变化的作用力。
1．1活塞销所在部位结构简图(见图1)进气程：活塞销承受着连杆压力、活塞组件的惯活塞销装于活塞的销孔中，用于连接活塞和连性力和大气压力，以上三种作用力产生的合力使活杆，活塞表面承受的燃气压力通过它传给连杆。因塞销推动活塞组件向下死点做变加速运动。此活塞销属关键件。压缩行程：活塞销承受着连杆压力、活塞组件
d型管的惯性力和混合气体压力，以上三种作用力产生的
合力使活塞销推动活塞组件向上死点做变加速
运动。
做功行程：活塞销承受着连杆压力、活塞组件
的惯性力和燃气爆发压力，以上三种作用力产生的
合力使活塞销推动活塞组件向下死点做变加速
运动。
排气行程：活塞销承受着连杆压力、活塞组件图1活塞销所处部位结构简图的惯性力和废气压力，以上三种作用力产生的合
力使活塞销推动活塞组件向上死点做变加速
运动。
1．2外界条件
发动机的机匣腔压很小，略高于大气压力，可忽活塞销装在活塞的销座上，承受着很大的燃气
略不计。在做功行程的初始阶段(活塞超过上死点爆发压力(最大燃气爆发压力为6．5MPa)和往复惯
约10。～15。)，混合气燃烧结束，产生最大燃气爆发性力。运转时活塞销与销座(或连杆衬套)之间只在
压力6．5 MPa。此刻活塞销所受负荷达到最大，气不大的角度内相对摆动，无法形成充分的油膜，润滑
缸对活塞销的侧向力对其影响不大，因此，仅校核性能较差，工作环境温度在150℃左右i
该状态下的活塞销强度。
2计算目的
4计算模型
本计算是校核航空发动机活塞销在燃气爆发压
4．1计算方法
力和往复惯性力作用下的强度是否在其材料的许用
本计算采用传统的强度计算方法与有限元分应力范围内，以保证活塞销的强度能够满足使用
析方法对比，传统计算中主要计算了活塞销的弯曲要求。
应力、剪应力、椭圆变化时表面应力及横向直径增3受力分析量。在有限元计算中主要针对其静强度进行分析
计算。
发动机工作时，曲轴每转两圈，活塞在气缸内完
成了一个工作循环，即完成了4个行程：进气、压缩、
航空发动机活塞销强度计算553
4．2原始数据(见表1)式中，Mr。。鼢2(1+A)为活塞组件在上死点产生的
惯性力；
表1
活塞销材料20Cr Ni3A P主为燃气力，P耋一罟萨A
弹性模量E=200GP a
活塞销总长LH一95．1m m P。=Pf～M唧‰2(1+A)一詈Dz众
活塞销外径d1=28．6m m
一M孟如2(1+A)
活塞销内径d2—14．2mm
活塞组质量M。=1．774妇一—孚×130．22×1一×6．5×106—1．774
活塞的销座间距离B一42．6m m
连杆小头宽度A一36．4nlm×55．6×10q×(警)2×(1+0．3243)
气缸直径D—130。2mm
曲轴曲柄半径R一55．6mm=76099．3N
曲柄连杆比A=O．324 3
4．3．1活塞销弯曲应力叮H计算
最大燃气爆发压力A一6．5MPa
在活塞销座内的活塞销表面上所受的负荷是不起飞时曲轴角速度(￡J一27007【／30 rad／s
均匀分布的，靠近连杆小头处的弯曲应力最大。
4．3传统方法强度计算d—d2／dl一14．2／28．6—0．4965
当发动机工作时，活塞销产生弯曲、剪切和椭圆P。(LH+2B一，1．5A)
化的应力变化。佣一1FT百了Fi厂
发动机的气缸中燃气爆发压力最大时，可以把一7s㈣．3×％甚麓警高湍
连杆压缩力Pc看作活塞销的计算负荷，见图2。它
等于最大燃气爆发压力与带活塞销的活塞组件惯性×106
力之差。一鬻裟学×，06
—362．8×106Pa一362．8M[P a
路灯节电
许用弯曲应力[口H]值的范围是230～500
MPa，故靠满足使用要求。 4．3．2活塞销中性平
面最大剪切应力T。计算
作用于活塞销的最大剪力在活塞销座和连杆小
头之间的断面上，该断面的中性平面上的最大剪切
==一X一O．85×76099．3、，
应力计算如下：
测斜管O．85P。1+a+a2
水塔水位控制系统1+0．496 5+O．49652
‘”
拼1一口4
28．62×1旷“1一O。496 54
—146．8×106Pa
一146．8 M[Pa
一一吻-t t M许用剪切应力[r]值的范围是120～220
MPa，
故‰满足使用要求。
眩冱乙Z匠ZZ勿缈4．3．3活塞销椭圆化时表面最大应力叮∞计算
Pc{麓活塞销椭圆变化时，在其内外表面上产生应力，
外表面的点1、点3处和内表面的点2’、点4’处产生图2活塞销强度计算示意图拉应力，而外表面的点2、点4处和内表面的点17、点
P。一P?一M印鼢2(1+A) 37处产生压应力，其中在点2’、点4’处的应力最大，
计算如下：
554
内燃机科技——中国内燃机学会第八届学术年会论文集
4．4．2网格划分
‰一蠡导
为提高计算效率、减小模型耗费计算机的内存 其中：
空间，一般对模型进行简化处理，去掉一些半径较小 s 一[o ．m·拦争·半一箐]·
的圆角、倒角等，对于比较复杂的图形采用专业的划 分网格软件比较方便，例如：HyperMesh 。但活塞销
=[吡74×杀黼×鬻
气动加油泵
[1．5—15(口一o ．4)3]
结构简单，形状又规则，没有进行简化处理，直接在 一羔]X[1．5_15×(o．4965-0．4)3]
ANSYS 软件中进行网格划分。有限元网格划分模
型见图4，整体模型采用8节点四面体划分，共有
48 025个单元，10 008个节点。
‰一揣×4．251×106
一4．251
—118．9×106 Pa 一118．9 M[P a
活塞销椭圆化时表面许用应力[‰]值的范围 是110～230 MPa ，故咖满足使用要求。
图4活塞销网格划分
u盘制造4．3．4活塞销椭圆化时横向直径增量△d，计算
4．4．3边界条件和载荷的确定
砸，2静其中：
活塞销受力在前面已经叙述过。现在确定其约
束条件和载荷，如图5所示，在活塞销与连杆小头接
x —o ．09(}鲁)3×[1．5—15(口一o ．4)3]
一o ．09×(燃)3
触的地方施加径向两个方向约束，并且约束
其3个
方向的旋转自由，在活塞销左右两端的中心约束其 X[1．5—15×
轴线方向自由度。
(o ．496 5一o ．4)3]
载荷
载荷
耐，一勰×3．513×10q
一3．513
一14×10q m 一0．014 mm
许用横向直径增量[△d ，]<o ．1mm ，故耐。满足使
用要求。
为确保航空发动机稳定可靠地工作，需对其重要 国
4．4有限元方法强度计算 4．4．1几何模型的建立
的受力件进行有限元强度计算分析，了解其工作时的 图5活塞销约束受力
强度储备，以此作为设计改进的依据。航空发动机活
塞销的有限元分析是利用UG 建立了三维模型(见图
载荷的加载，在活塞销和活塞接触面施加。活
3)，并以C 灯IA 格式文件输出，然后通过软件提供
塞销受力按正弦分布规律在活塞销顶部90。范围内
分布。活塞销的计算工况为起飞转速工况。 的几何实体模型读入接口将所建的活塞销三维实体 4．4．4有限元计算结果
模型读入A 卜{s ．YS 中，并附加实体的材料属性。
经过ANSYS 软件计算，得出活塞销的应力分 布云图，详见图6～图9。
图3活塞销UG 模型
航空发动机活塞销强度计算555
5计算结果
5．1传统计算方法结果(见表2)
表2
图6 x方向应力场分布等值线图
5．2有限元计算结果在ANsYS软件计算结果
中，由图9可以看出
在活塞销与连杆小头接触的地方产生最大载荷，其
最大应力值为326Ⅷa，与传统计算结果相当。活
塞销强度满足设计要求，可以安全工作。
5．3传统计算与有限元计算对比
图7y方向应力场分布等值线图(1)传统的计算方法比较繁琐，不能一眼就看
出结果如何，要花大量的时间才可以读懂。有限元
计算一目了然，直观。
(2)传统计算依靠更多经验公式，参数的选择
等基本要靠经验来决定。有限元计算参数少，在静
强度计算中只需要材料的性能参数，如泊松比、弹性
模量、密度，但像网格划分和约束、载荷的加载还是
得靠经验来进行，参数选择相对传统计算还是比
较少。
(3)传统计算可以有例题可循，一般学习过力
学计算的人员都可以进行，结果不会相差很远。有图8 Z方向应力场分布等值线图
限元计算需要采用专门的软件，在计算中所采取的
网格划分、载荷和约束加载方法不一样，就可能出现
截然不同的云图，所以有限元计算需要熟练掌握计
算软件和操作技巧，计算时真实模拟其工况，才能够
得出准确的结果。
总之，在强度计算中大的趋势是向有限元计算
方向发展，毕竟它可以直观地反映零件的应力分布，
而传统计算可以用来校对有限元计算是否符合实际
的工作状态。
图9等效应力场分布等值线图
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