楊林強(qiáng)，錢(qián)德猛，路　明

（江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601）

基于有限元的缸蓋低周疲勞壽命仿真分析

楊林強(qiáng)，錢(qián)德猛，路明

（江淮汽車(chē)股份有限公司，合肥230601）

對(duì)cofiin-manson模型進(jìn)行修正，通過(guò)有限元的方法對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行分析，得到缸蓋的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分布；運(yùn)用子模型的方法進(jìn)一步分析缸蓋燃燒室部分，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的典型工況仿真分析缸蓋燃燒室的低周疲勞壽命，并找出主要影響參數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋；低周疲勞；有限元；coffin-manson模型

缸蓋作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，是工作環(huán)境最?lèi)毫拥牟考唬惺苤鴼怏w燃燒產(chǎn)生的高溫。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。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)于缸蓋低周疲勞的分析并沒(méi)有很好的方法，由于試驗(yàn)需要的費(fèi)用很高且時(shí)間較長(zhǎng)，未能得到很好的應(yīng)用。本文基于修正的coffin-manson模型，運(yùn)用有限元分析，并且為了提高計(jì)算速度，使用子模型的方法，得到缸蓋危險(xiǎn)部位燃燒室的溫度差、應(yīng)力幅以及塑性應(yīng)變幅，進(jìn)而得到燃燒室的疲勞壽命分布。此方法可以提前預(yù)測(cè)缸蓋的薄弱部位，指導(dǎo)缸蓋設(shè)計(jì)。

1　修正的coffin-manson模型

由于本文要考慮溫度的影響，因此，對(duì)coffin-manson模型進(jìn)行修正。對(duì)于穩(wěn)定循環(huán)，基于粘塑性應(yīng)變幅和應(yīng)力幅的損傷方程為

式中：△εE為彈性應(yīng)變幅；△σ為應(yīng)力幅；E（Tm）為溫度在Tm時(shí)的彈性模量；Nf為疲勞壽命；β、β0、b0、b1、b2為與材料有關(guān)的常數(shù)。

其中，A（△σ，Tm，th）=1/k△σ A0exp（＜Tmx-T0＞th/τ）（4）式中：△εP為塑性應(yīng)變幅；＜Tmx-T0＞為溫差；th為時(shí)間；k、A0、τ為常量?？倯?yīng)變幅為

聯(lián)立方程可得，

上式中只要得到△σ、△εP，就可以求出疲勞壽命Nf?？梢酝ㄟ^(guò)有限元的方法，計(jì)算得到△σ、△εP［1-7］。

2　有限元分析

2.1網(wǎng)格要求

缸蓋受到的載荷主要為機(jī)械載荷和熱載荷，其中機(jī)械載荷包括缸蓋螺栓預(yù)緊力、氣門(mén)座圈和氣門(mén)導(dǎo)管過(guò)盈安裝產(chǎn)生的裝配載荷以及缸內(nèi)爆發(fā)壓力，同時(shí)考慮缸墊的非線性特性，因此，整個(gè)模型需要包括缸體、缸蓋、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)座圈、缸墊和缸蓋螺栓。

對(duì)缸墊模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留起主要作用的缸墊筋，缸墊的網(wǎng)格類(lèi)型選擇GK3D12MN，包括STOPPER部分和GASKET部分。首先，為了與缸孔網(wǎng)格一致，STOPPER部分周向選擇60層網(wǎng)格；其他部分以STOPPER網(wǎng)格的長(zhǎng)度為基礎(chǔ)劃分，根據(jù)模型的情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。缸墊網(wǎng)格如圖1所示。

缸蓋部分是最復(fù)雜的一個(gè)部件，網(wǎng)格數(shù)目占整個(gè)模型比例的66.6%。首先，缸蓋的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，包括很多特征，而且必須被保留。其次，缸蓋部分在后處理中關(guān)注的區(qū)域較多，并且在前處理中有很多邊界加載區(qū)域，這些區(qū)域網(wǎng)格要求細(xì)密，包括燃燒室、氣道、油道以及缸蓋水套部分。第三，在用ABAQUS分析時(shí)，要求各不同部件的接觸邊界上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，缸蓋是與不同結(jié)構(gòu)接觸最多的部件，包括與氣門(mén)座圈、氣門(mén)導(dǎo)管、缸墊以及缸蓋螺栓等部件接觸。缸蓋部分整體網(wǎng)格如圖2所示。

由于缸體在此分析中只起到支撐的作用，為了減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)作為約束的缸體可以進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在不影響剛度的情況下，可以盡量簡(jiǎn)化一些孔洞，且網(wǎng)格尺寸可以盡量放大，以減少網(wǎng)格數(shù)量。

缸蓋網(wǎng)格完成后氣門(mén)座圈、氣門(mén)導(dǎo)管以及缸蓋螺栓的網(wǎng)格可以根據(jù)接觸部分的網(wǎng)格進(jìn)行劃分。由于低周疲勞分析步數(shù)較多，運(yùn)用整體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算時(shí)，計(jì)算周期較長(zhǎng)，重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域只有缸蓋燃燒室部分，因此，使用子模型方法提取燃燒室部分的網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算，可以節(jié)約大量的時(shí)間。子模型選取方法如圖3所示。

2.2有限元分析結(jié)果

低周疲勞分析工況如圖4所示。待塑性應(yīng)變幅穩(wěn)定后，選取最后一個(gè)分析循環(huán)作為低周疲勞壽命分析的循環(huán)。需要得到全速全負(fù)荷工況和怠速工況下的溫度分布以及相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)分布。

全速全負(fù)荷工況下的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。從結(jié)果可以看出，子模型的結(jié)果與整體模型相一致。全速工況下燃燒室部分最高溫度為241℃，位于排氣門(mén)與排氣門(mén)之間（EX-EX），靠近氣門(mén)座圈的位置。由于進(jìn)氣溫度較排氣溫度低，因此，進(jìn)氣門(mén)與進(jìn)氣門(mén)之間（IN-IN）的溫度較低，排氣門(mén)與進(jìn)氣門(mén)之間（EX-IN）呈現(xiàn)溫度由大到小的一個(gè)梯度。怠速工況下的溫度分布情況與全速工況相似，只是最高溫度為38℃。兩種工況在上訴兩個(gè)特征點(diǎn)上的溫度差分別為203℃和192℃，溫差較大。大的溫度差是引起結(jié)構(gòu)發(fā)生低周疲勞斷裂的主要因素。

2.3低周疲勞壽命分析

在最后一個(gè)穩(wěn)定的循環(huán)工況下，提取燃燒室部分的溫度差、應(yīng)力幅以及塑性應(yīng)變幅進(jìn)行低周疲勞壽命的計(jì)算。在進(jìn)氣門(mén)與排氣們之間部位的應(yīng)力幅以及塑性應(yīng)變幅較大，重點(diǎn)關(guān)注A、B、C、D、E五點(diǎn)的疲勞壽命，計(jì)算如表1所示，壽命分布如圖6所示，溫度差、塑性應(yīng)變幅、應(yīng)力幅以及低周期的柱狀圖如圖7-圖10所示。疲勞壽命最小的位置與應(yīng)力幅和塑性應(yīng)變幅較大的區(qū)域相一致，可見(jiàn)這兩個(gè)參數(shù)對(duì)低周疲勞壽命影響較大［8-12］。

表1　重點(diǎn)區(qū)域的壽命計(jì)算

3　結(jié)束語(yǔ)

有限元的方法可以快速地預(yù)測(cè)缸蓋疲勞壽命比較薄弱的區(qū)域，對(duì)疲勞壽命影響較大的參數(shù)為應(yīng)力幅以及塑性應(yīng)變幅，排氣門(mén)與排氣門(mén)之間雖然有較高的溫度差，但由于排氣門(mén)與進(jìn)氣門(mén)之間有較大的應(yīng)力幅以及塑性應(yīng)變幅，因此，在排氣門(mén)與進(jìn)氣門(mén)之間的A、C兩點(diǎn)的壽命更小。

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修改稿日期：2014-12-09

Low Cycle Fatigue Life Simulation of Cylinder Head Based on FEM

Yang Linqiang，Qian Demeng，Lu Ming
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230601，China）

The authorsmodify the coffin-manson model and analyze the machine mode lto get the temperature field and stress field distributions of the cylinder head through the finite element method.Theyuse the means ofsub-model for further analysis of the combustion chamber，make the simulation calculation of the low cycle fatigue life of the cylinder head combustion chamberunder theengine typicalworkingconditions，and find outthemain influence factors.

cylinder head；low cycle fatigue；finite element；coffin-manson model

U 464.132

A

1006-3331（2015）03-0001-03

楊林強(qiáng)（1976-），男，高級(jí)工程師；技術(shù)中心動(dòng)力院副院長(zhǎng)；主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)業(yè)務(wù)技術(shù)管理工作。