活塞式内燃机自19世纪60年代问世以来,经过多年不断完善优化,技术已经十分成熟。汽车作为人们日常生活中最重要和最普遍的交通运输工具,已然成为内燃机市场的最大消耗源。内燃机燃烧总能量的15%损耗在机械运动中,而其中很大一部分损耗由摩擦引起,活塞-缸套系统摩擦副产生的摩擦功耗可高达整个内燃机摩擦损耗的50%左右。本研究考虑到巨大的内燃机使用量,即使将活塞-缸套系统的摩擦损耗降低很小幅度,也可以对减少能源消耗和改善环境产生较大影响。故将研究重点放在活塞-缸套系统的减阻、耐磨上。生物界中很多物种在千万年的进化中形成了减阻、耐磨的体表形态,本文拟选取运动形式最接近活塞缸套系统的仿生原型,针对减小活塞缸套系统间的摩擦、磨损和散热、增润,设计仿生形态于活塞裙部上,以提高内燃机的整机可靠性和稳定性。蚯蚓在土壤中的穿梭运动与活塞在缸套中的往复运动十分相似,均为较软材质与较硬材质间的固固接触摩擦。贝壳在泥沙中冲蚀与活塞在缸套内运动情况亦类似,均为固固接触且接触面存在润滑液体。本文将蚯蚓和贝壳做为仿生原型,将它们体表的减阻耐磨形态加工于活塞裙部表面,以达到减小磨损、摩擦和摩擦热的目的。本文首先对标准活塞采用逆向工程技术进行建模,然后根据受试内燃机活塞连杆总成相关参数,进行二阶动力学和热力学数学模型分析。参考内燃机十五工况标准,借鉴前人研究成果,根据本文设计重点,选定三种工况作为后续分析基础。将上述计算结果作为活塞热-机耦合有限单元分析边界条件,提取活塞正常工况下的应力、应变和变形情况。根据标准活塞热-机耦合有限单元分析结果,结合仿生原型表面的减阻形态,在活塞裙部设计了两种仿生形态即仿生横条纹形和仿生竖凹槽形。仿生横条纹形活塞根据蚯蚓体表形态进行设计,横条纹沿活塞轴向加工,距离应力较集中的活塞顶越近条纹深宽越大、间距越大,根据正交表制定三水平三因素试验方案,三因素为条纹排布形式、条纹深度、条纹宽度,每个因素均包含三个水平。仿生竖凹槽形活塞根据毛蚶壳表形态进行设计,竖凹槽沿活塞裙部轴向贯穿设计,根据正交表制定三水平三因素试验方案,三因素为凹槽分布类型、凹槽深宽、凹槽间距,每个因素均包含三个水平。对两组仿生活塞进行热-机耦合分析,并将活塞各个部位最大应力与标准活塞进行对比,仿生横条纹形活塞,对于距离仿生形态较远且高温区域应力的卸载条纹内打孔排布效果最佳,对于距离仿生形态较近且应力较集中的区域条纹形排布使集中应力更小。仿生竖凹槽形活塞,对于距离仿生形态较远且高温区域应力的卸载宽凹槽间夹窄凹槽排布、大深宽、小间距效果最佳,对于距离仿生形态较近且应力较集中的区域凹槽形排布、大深宽、中等间距使集中应力更小。分别对两组仿生活塞各个部位最大应力进行极差分析,仿生横条纹形活塞,影响力从大到小的因素依次为条纹分布类型、条纹深度、条纹宽度,最优组合为条纹形排布类型、条纹深度由裙部下端至上端依次为0.5、0.6、0.7、0.8mm和0.6、0.7、0.8、0.9mm、条纹宽度由裙部下端至上端依次为0.5、0.6、0.7、0.8mm和0.7、0.8、0.9、1mm;仿生竖凹槽形活塞,影响力从大到小的因素依次为凹槽分布类型、凹槽深宽、凹槽间距,最优组合为凹槽形和宽凹槽间夹窄凹槽形分布类型、凹槽深宽为1mm、凹槽间距为12o。跟据标准和仿生活塞工况情况制定低频疲劳寿命的预测方案,采用曼森和科芬提出的方法计算活塞起动——运行——停车循环次数。然后通过回归分析找出每组仿生活塞三水平和三因素与其各个部位疲劳寿命的内在规律。标准活塞与仿生横条纹形活塞疲劳循环次数对比,所有仿生活塞各部位疲劳寿命均高于标准活塞,仿生活塞整体平均寿命比标准活塞提高了8.8%,一行条纹一行通孔的排布方式、条纹深度和条纹宽度(孔径)从上至下依次为0.8、0.7、0.6、0.5mm时,仿生活塞最大变形最小,疲劳寿命最长;回归分析表明对疲劳寿命影响最大的为条纹宽度其次为条纹深度,浅宽类条纹可以更好的保证活塞刚度,同时卸载集中应力、分散热量、减小摩擦。标准活塞与仿生竖凹槽形活塞疲劳循环次数对比,所有仿生活塞疲劳寿命都大于标准活塞,仿生活塞整体平均寿命比标准活塞提高了7.8%,凹槽形设计更有利于减小活塞各部位最大变形,凹槽深宽为0.8mm、凹槽间距为10°和12°时,活塞变形更小、活塞抗疲劳性更高;回归分析表明对疲劳寿命影响最大为凹槽深宽,其次对于活塞顶部来说为凹槽间距、对于活塞中下部分来说为凹槽分布类型,从各个因素与疲劳寿命的关系可以看凹槽形排布、凹槽深宽为0.8mm、凹槽间距为12°时活塞疲劳寿命较长。采用平均雷诺方程对标准和仿生活塞裙部油膜厚度、润滑油动压、裙部法向压力和摩擦力进行对比分析。所有仿生横条纹形活塞裙部各个部位的润滑情况均优于标准活塞,条纹内打孔排布使整个裙部油膜厚度更厚,油膜承压面积为标准活塞的81-86%时法向压力最小,油膜承压面积为标准活塞的81-84%时摩擦力最小,裙部上端排布深宽为0.8-0.9mm条纹和通孔下端排布深宽为0.7-0.8mm条纹和通孔时裙部润滑效果更佳。所有仿生竖凹槽形活塞裙部各个部位的润滑情况均优于标准活塞,凹槽深宽为0.8mm、间距为10°时裙部油膜厚度最厚,油膜承压面积为标准活塞的74-87%时法向压力最小,油膜承压面积为标准活塞的74-85%时摩擦力最小,裙部上端排布凹槽形下端排布宽凹槽间夹窄凹槽形时润滑效果更佳。搭建内燃机耐久性试验台,对标准和仿生活塞进行对比试验,由于耐久性台架试验周期长,故仅在前述每种仿真分析中每组选取最优仿生活塞3个进行耐久性试验。试验结果如下:磨损量检测发现仿生横条纹形活塞平均比标准活塞磨损量减小79.5%;仿生竖凹槽形活塞平均比标准活塞磨损量减小40.9%。活塞顶部最高温度检测发现仿生横条纹形活塞平均比标准活塞温度减小9.5%;仿生竖凹槽形活塞平均比标准活塞温度减小6.4%。试验后活塞裙部表面粗糙度检测发现仿生横条纹形活塞裙部粗糙度平均比标准活塞减小60.1%;仿生竖凹槽形活塞裙部粗糙度平均比标准活塞减小47.6%。台架试验检测结果与仿真模拟结果一致,进一步验证了仿真方法的准确性。本文最终结合仿真和台架试验结果,对仿生形态进行机理分析。仿生横条纹形活塞,条纹形排布可以将小应力沿裙部纵向传递,一行条纹一行通孔形排布中通孔将大应力集中于裙部表面、小应力分散在裙部内部,条纹内打孔形排布在裙部内部将小应力传递至大应力区;仿生凹槽形活塞,凹槽可以沿裙部周向传递小应力,在应力大于54MPa时宽凹槽会在其底部聚集应力以分散减小周边大应力,在应力小于27MPa时通孔或窄凹槽在无需集中大应力的前提下可在其周边形成更小的应力圈。两种仿生形态均可储油、存屑、减小摩擦,仿生横条纹可以阻断裙部纵向方向刮痕,制止其延伸加大、影响活塞疲劳寿命;仿生竖凹槽可以沿裙部周向减小磨损面积。