基于SolidWorks的活塞接触压力分析与仿真

1 引言

    活塞作为重要的密封件，在工作过程中，活塞外壁承受轴向或产生的热量会改变活塞与阀座之间的过盈量，而过盈量直接影响活塞的密封性能。为了让活塞能够达到更好的密封效果，且封堵更高的压差，可以通过优化活塞与阀座之间的过盈量来提高封堵压差的能力。据活塞的工作原理，以某厂生产的黄铜活塞作为仿真分析对象，运用建模分析其在工作过程中的变形量与活塞装配中的过盈量之间的关系。

2 仿真分析模型建立及边界条件设定

    2.1 模型建立

    选用某活塞作为仿真分析对象，研究其在工作过程中的变形量与活塞装配中的过盈量之间的关系。该活塞和阀座均采用黄铜为制造材料，材料具体参数如表1所示。

表1 材料性能参数

    活塞与阀座之间为过盈配合装配，图1为活塞阀座过盈配合剖面图。

图1 阀座剖面图

    有限元网格划分采用高品质的四面体单元，这种单元较好地保证计算精度，适合于接触求解。用1.5mm的单元大小划分网格，在活塞和阀座之间的接触面采用局部细化网格，网格边长最小为0.08mm，得到的有限元模型节点数为53348，单元数为32522，自由度数总数158370，模型如图2所示。

图2 有限元模型

    2.2 边界条件确定

    分析考虑了两种极端工作情况，一种情况为静态模型，即活塞与阀座之间的接触应力为线性变换：另一种情况是根据实际工况，接触是边界条件高度非线性的问题，需要准确追踪接触前物体的运动及接触后物体间的相互作用。确定活塞与阀座之间的摩擦接触定义接触对。采用对称约束模式，固定阀座网柱面，设相应边界位移为0，其他条件利用仿真分析台及燃烧分析仪对活塞的不同运行工况进行了模拟实验得到，压力峰值取1600MPa，温度为600K。

    两个光滑曲面的弹性接触应力分布规律应取决于弹性体的几何形状，且它的接触边界也是由其的几何形状决定。因此，当具有f=f1（x，y）和f=f2(x，y)边界的两个弹性体在(0，0)相切，两弹性体在压力P的下产生过盈量δ，其接触区域边界方程可由假想两光滑曲面互相侵入的交线得：

    得到接触应力：