不同工況下的缸蓋低周疲勞對(duì)比分析

張應(yīng)兵，路明

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

缸蓋作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件承受著復(fù)雜的載荷，隨著近年來排放和油耗法規(guī)的升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率逐步提升，缸蓋的工作環(huán)境則進(jìn)一步惡化，在高溫環(huán)境中，缸蓋材料的機(jī)械性能會(huì)有明顯的下降。在高低溫交替變化，同時(shí)又承受循環(huán)的機(jī)械載荷，缸蓋的燃燒室部分很容易發(fā)生低周疲勞失效。目前對(duì)于車用發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋低周疲勞問題研究較少，之前的研究一般針對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下的疲勞壽命分析。但根據(jù)雨流計(jì)數(shù)法，中間工況的選擇對(duì)于疲勞結(jié)果有很大的影響，本文將基于sehitoglu低周疲勞分析理論，研究穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況下的某發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋低周疲勞問題，對(duì)比兩種工況下的低周疲勞壽命。

1 低周疲勞分析理論

根據(jù)sehitoglu損傷理論，總損傷為機(jī)械損傷（Dfat）、氧化損傷（Dox）以及蠕變損傷（Dcreep）之和，如式1所示。

機(jī)械損傷模型基于Coffin-Manson公式：

其中為剪切應(yīng)變，E為彈性模量， 為泊松比，為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，為疲勞延展性系數(shù)，c為疲勞延展性指數(shù)，為機(jī)械損傷壽命。

氧化損傷模型為：

其中hcr為臨界裂紋長(zhǎng)度，δo為氧化物延展性，B、β為材料常量，α為應(yīng)變率敏感性常量，Kpeff為有效氧化常量，為氧化應(yīng)變，為氧化壽命，為氧化相位，。

蠕變損傷模型為：

其中 A、m為材料常量，K近似為屈服強(qiáng)度，α1、α2為比例因子，為活化能，為蠕變相位，。[1-7]

2 有限元模型

低周疲勞分析需要考慮裝配載荷以及溫度載荷，依據(jù)此模型包括缸體、缸蓋、缸蓋螺栓、氣門座圈、氣門導(dǎo)管以及缸墊。有限元模型如圖1所示，為了減少計(jì)算時(shí)間，缸蓋低周疲勞開裂一般發(fā)生在燃燒室位置，因此，在燃燒室位置需要?jiǎng)澐州^細(xì)密的網(wǎng)格，且在倒角位置要?jiǎng)澐种苯侨切蔚木W(wǎng)格，保證計(jì)算精度，燃燒室位置的局部網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 有限元模型

圖2 燃燒室局部網(wǎng)格

3 低周疲勞分析溫度邊界

分析時(shí)同時(shí)考慮穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)以及瞬態(tài)溫度場(chǎng)兩種工況，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)考慮怠速工況及全速全負(fù)荷工況，中間的過程結(jié)果按照線性插值得到，而瞬態(tài)分析工況如圖3所示，溫度場(chǎng)分析共分為五個(gè)循環(huán)，初始循環(huán)從室溫到全速全負(fù)荷工況，再到怠速工況，每個(gè)循環(huán)持續(xù)360秒，中間過程考慮實(shí)際溫度變化，穩(wěn)態(tài)工況以及瞬態(tài)工況最后一個(gè)循環(huán)的全速全負(fù)荷溫度場(chǎng)如圖4、5所示，中間點(diǎn)的溫度場(chǎng)由于篇幅的原因不貼出，從結(jié)果可以看出，兩種工況的溫度分布略有不同，瞬態(tài)工況最高溫度較穩(wěn)態(tài)工況低4℃。

圖3 瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析工況

圖4 穩(wěn)態(tài)工況溫度分布

圖5 瞬態(tài)工況溫度分布

4 低周疲勞分析對(duì)比

考慮穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下的低周循環(huán)工況如圖6所示，分析中一個(gè)疲勞循環(huán)工況持續(xù)360s，一個(gè)工況包括四個(gè)過程，從怠速到全速持續(xù)90s，保持全速90s，降低到怠速90s，保持怠速 90s，中間過程溫度場(chǎng)為線性插值。由于考慮材料的塑性和蠕變等特性，開始幾個(gè)疲勞循環(huán)中各節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)力和應(yīng)變并不穩(wěn)定，而在最后的疲勞分析中我們需要穩(wěn)定的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，因此分析又分為三個(gè)階段，初始循環(huán)階段包括兩個(gè)疲勞工況，然后持續(xù)30小時(shí)，目的是使蠕變特性表現(xiàn)出來，最后穩(wěn)定循環(huán)階段包括兩個(gè)疲勞循環(huán)工況，最后一個(gè)循環(huán)用于疲勞分析。

圖6 穩(wěn)態(tài)低周疲勞循環(huán)工況

考慮瞬態(tài)溫度場(chǎng)下的低周循環(huán)工況如圖7所示，一個(gè)循環(huán)工況同樣持續(xù)360s，與穩(wěn)態(tài)不同的是，中間工況點(diǎn)考慮瞬態(tài)的溫度場(chǎng)分析結(jié)果。

圖7 瞬態(tài)低周疲勞循環(huán)工況

根據(jù)兩種不同工況的結(jié)果進(jìn)行低周疲勞分析后，疲勞壽命結(jié)果如圖8、9所示，從結(jié)果可以看出，穩(wěn)態(tài)工況下的最低壽命為7473，而瞬態(tài)工況下的最低壽命為1589，瞬態(tài)工況下的結(jié)果遠(yuǎn)低于穩(wěn)態(tài)工況，從安全系數(shù)的分布情況也可以看出，瞬態(tài)工況下的低周疲勞壽命更加危險(xiǎn)。

圖8 穩(wěn)態(tài)工況低周疲勞壽命分布

圖9 瞬態(tài)工況低周 疲勞壽命分布

5 結(jié)論

1）本文基于穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)兩種工況對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行低周疲勞分析，從結(jié)果看，兩種工況的疲勞結(jié)果分布基本一致，最小壽命位置均在進(jìn)排氣門之間。

2）穩(wěn)態(tài)工況最低壽命為 7473，瞬態(tài)工況最低壽命為1589，瞬態(tài)工況遠(yuǎn)低于穩(wěn)態(tài)工況，表明瞬態(tài)工況更加苛刻。

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