某柴油機的缸蓋低周疲勞分析研究

張波

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某柴油機的缸蓋低周疲勞分析研究

張波

（江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

某柴油機在低周疲勞試驗中發(fā)生缸蓋開裂，本文基于有限元的方法，模擬發(fā)動機臺架試驗的過程，對缸蓋低周疲勞進行分析研究，結(jié)果表明，缸蓋在預(yù)熱塞孔位置存在壽命低于4000的區(qū)域，與試驗結(jié)果吻合。

低周疲勞；有限元方法；發(fā)動機缸蓋

前言

隨著發(fā)動機能力的提升，發(fā)動機的最大爆發(fā)壓力和缸蓋的最高溫度都有明顯的增加，使得缸蓋的熱負荷增加，發(fā)動機缸蓋的疲勞破壞風(fēng)險更大，特別是低周疲勞。

本文基于sehitoglu低周疲勞損傷模型，利用有限元的方法基于瞬態(tài)溫度邊界對缸蓋低周疲勞進行預(yù)測。

1 低周疲勞損傷模型

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

機械損傷模型基于Coffin-Manson公式：

氧化損傷模型為：

蠕變損傷模型為：

2 有限元分析方法及網(wǎng)格處理

缸蓋在發(fā)動機工作過程中收到非常復(fù)雜的載荷，其中包括裝配載荷，即缸蓋螺栓預(yù)緊力和氣門座圈過盈量，周期變化的缸內(nèi)爆發(fā)壓力，以及周期變化的溫度載荷。我們把這一個復(fù)雜的過程簡化為兩個簡單的過程，即分解成溫度恒定機械載荷周期變化和機械載荷恒定溫度周期變化的兩個子過程，本文重點研究溫度周期變化的過程，此過程需要特殊的疲勞損傷模型，以及特殊的材料屬性，溫度載荷隨時間變化。

缸蓋工作中受到的載荷包括缸蓋螺栓預(yù)緊力、氣門座圈過盈量、氣門導(dǎo)管過盈量以及溫度載荷，根據(jù)載荷情況，確定有限元模型包括的部件為缸蓋、缸體、缸蓋螺栓、汽缸墊、氣門座圈、氣門導(dǎo)管以及氣門。網(wǎng)格模型如圖1所示，由于缸蓋容易發(fā)生低周疲勞破壞的區(qū)域在燃燒室部分，因此此位置需要劃分較細密的網(wǎng)格，且網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

3 基于瞬態(tài)溫度場的疲勞壽命計算

分析主要考慮全速全負荷工況以及怠速工況，先通過CFD分析得到燃燒室、進排氣道以及水套的溫度及換熱系數(shù)邊界，如圖2、3所示。再通過雙向流固耦合計算得到兩種工況下的缸體缸蓋溫度場分布，兩種工況下缸蓋燃燒室部位的溫度場如圖4、5所示。

圖2 缸內(nèi)溫度邊界

圖3 水套溫度邊界

在怠速工況到全速全負荷工況，在到怠速工況的變化中，缸蓋的溫度并不是線性變化的，穩(wěn)態(tài)溫度場在中間過程根據(jù)設(shè)置的步長線性插值。而考慮瞬態(tài)的溫度場特性，溫度場分析共分為五個循環(huán)，初始循環(huán)從室溫到全速全負荷工況，再到怠速工況，每個循環(huán)持續(xù)360秒，如圖6所示。

圖4 全速全負荷工況下的溫度場分布

圖5 怠速工況下的溫度場分布

圖6 瞬態(tài)溫度循環(huán)工況

而有限元計算的低周疲勞循環(huán)工況與溫度場分析工況相對應(yīng)，同樣為考慮材料的蠕變特性，在中間循環(huán)增加持續(xù)30小時的分析步，如圖7所示。基于瞬態(tài)溫度場邊界的缸蓋疲勞壽命分布如圖8所示，可以看出，在燃燒室卸載槽的邊緣有壽命低于4000個循環(huán)的區(qū)域，存在較大的開裂風(fēng)險。

圖7 有限元分析工況

圖8 疲勞壽命分布

4 試驗驗證

試驗時的低周循環(huán)工況與分析的工況基本一致，如圖9所示。臺架試驗需要控制三個參數(shù)，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷以及出水口溫度。其中升溫段180s，降溫段180s，在升溫段，轉(zhuǎn)速和負荷提升到全速全負荷，而冷卻液轉(zhuǎn)換延遲25s，提升到全速全負荷后保持此工況到整個過程持續(xù)180s，然后開始降低轉(zhuǎn)速和負荷，分別到怠速和無負荷工況，冷卻液轉(zhuǎn)換同樣延遲25s，降低到此工況后保持，使整個過程持續(xù)180s，此過程為一個疲勞循環(huán)工況，試驗共進行4000個循環(huán)。試驗結(jié)果如圖10所示，可以看出，在燃燒室卸載槽位置有明顯的裂紋，位置與機遇瞬態(tài)溫度場分析的結(jié)果一致。

圖9 試驗工況

圖10 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1）采用sehitoglu低周疲勞分析模型，基于有限元方法，把缸蓋復(fù)雜的載荷情況簡化為恒機械載荷溫度周期變化的過程，模型考慮了材料的塑性、蠕變等非線性特性，并結(jié)合多學(xué)科的耦合計算，模擬部件的低周疲勞特性。

2）經(jīng)過試驗驗證，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過4000個低周疲勞循環(huán)后，缸蓋燃燒室卸載槽邊緣發(fā)生明顯的開裂，位置與模擬計算中考慮瞬態(tài)溫度場邊界的結(jié)果一致，可以判斷在模擬分析時，溫度邊界需要考慮瞬態(tài)溫度場。

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The Low Cycle Fatigue Analysis of some Diesel Engine Cylinder Head

Zhang Bo

( Jianghuai Automobile Group Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

The cylinder head of some diesel engine was broken in the low cycle fatigue test. In this paper, the analysis of cylinder head low cycle fatigue had been performed follows the procedure of the test based on finite element method. The result showed that the life of the position of heater plug was below 4000. it was same with the test.

Low cycle fatigue; finite element method; cylinder head of engine

B

1671-7988(2018)24-119-03

U262.11

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1671-7988(2018)24-119-03

U262.11

張波，就職于江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.043