[发明专利]一种基于空腔隔热的钛合金活塞及其设计方法

权利要求书

1.一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：包括活塞上部、活塞下部、活塞内腔、销孔、隔热空腔和冷却油腔；

所述活塞上部和活塞下部通过摩擦焊接连接，焊缝位置根据活塞内腔拱形曲率大小调整，且避开应力集中区域；

所述活塞上部外表面加工三道平行环槽，从上而下分别为第一环槽、第二环槽和第三环槽；其中第三环槽位于活塞上部与活塞下部交界处、对应摩擦焊接面的位置；活塞上部顶面镀一层耐高温材料；

所述第三环槽下的环岸部分加工环形槽；环形槽以下的部位形成活塞裙部，环形槽以上部位形成活塞头部；

所述冷却油腔位于燃烧室与活塞头部的三个环槽之间，其顶部高于第一环槽上边缘；

所述隔热空腔位于活塞头部中轴线上，处于燃烧室底面与活塞内腔以及冷却油腔中间，与销座相匹配，以形成传递爆发压力的最优承力结构，隔热空腔通过改变热量的传递路线，阻碍热量的传递，起到隔热的作用，从而大大降低活塞内腔顶面的温度，以解决温度过高导致冷却油结焦、甚至燃烧而无法采用喷油冷却的难题；隔热空腔下部开凿一小孔，以释放气体受热膨胀产生的压力；所述隔热空腔的容积在满足保证活塞具有良好传力路径的条件下，加工制作为最大；

所述活塞内腔位于隔热空腔以下，采用乌龟壳仿生结构，成拱形；

所述活塞销孔中心位于活塞裙部中点以下，设计成单异型。

2.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：冷却油腔的容积在满足摩擦焊接工艺对其与环槽间距的要求下，加工制作为最大，使得活塞第一环槽在正常工作情况下的平均温度＜260℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：所述活塞头部中，冷却油腔与三个环槽内侧面、燃烧室底面与冷却油腔及隔热空腔之间的壁厚均匀。

4.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞，其特征在于：所述活塞材料为钛合金；活塞各环槽及活塞裙部表面镀有耐磨多层复合涂层。

5.根据权利要求1所述的一种基于空腔隔热的钛合金活塞的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，对传统活塞的结构模型进行结构拓扑优化；

采用传统的活塞结构作为拓扑优化的设计空间，以活塞所有实体单元的单元密度为设计变量，以总柔顺度为设计目标，将体积百分比转化作为拓扑优化的约束条件；从结构承力框架的角度计算分析得到机械载荷下活塞的最优材料分配路径；

步骤2，根据步骤1得到的最优材料分配路径，结合活塞关键部位功能要求，去除活塞裙部沿活塞销轴向两侧的部分材料，并将活塞设计成薄壁结构，设计大容量冷却油腔及活塞内腔，得到符合轻量化要求的结构形式，该结构形式的钛合金活塞质量小于同等直径的铝合金活塞；

所述关键部位包括第一环槽、活塞销孔楞缘、活塞内腔顶面和燃烧室喉口；

步骤3，结合系统设计要求的高转速、高功率密度发动机性能与热边界条件，对步骤2得到的结构形式进行有限元计算，分析活塞关键部位的温度、耦合应力以及变形情况；若活塞第一环槽平均温度＜260℃，活塞内腔顶面温度＜300℃，且活塞销孔楞缘没有明显的应力集中，则完成活塞结构设计，得到最优活塞结构形式，进行步骤7；若温度及强度没有达到系统设计要求，则转到步骤4；

步骤4，进一步考虑热负荷问题，利用空气的导热系数远小于金属导热系数的特点，在活塞头部设计一个大容量的隔热空腔；改变隔热空腔的容积，以及处于活塞头部的位置，对改进后的结构形式进行有限元分析，得到满足活塞热流分布、温度及热应力的最优隔热空腔结构；

步骤5，改变冷却油腔的容积及位置，分析不同容积及位置对活塞温度、热应力的影响，根据第一环槽的平均温度要求，确定冷却油腔最终的尺寸及位置；

步骤6，将活塞销孔设计成单异型，进一步分析活塞销孔楞缘的变形曲线，得到满足活塞承载能力要求的最优异型结构；

所述步骤4、步骤5、步骤6同时进行或者顺序进行，结合上述三个步骤的分析结果，得到最优活塞结构形式，进行步骤7；

步骤7，按照设计得到的最优活塞结构形式加工得到钛合金活塞，并进行表面保护设计，通过对活塞上部顶面镀耐高温材料，以及在活塞各环槽及活塞裙部表面镀耐磨多层复合涂层的方法来提高活塞的抗烧蚀及摩擦磨损特性；得到能够承受高温高压、带有隔热空腔的钛合金活塞。