王先瑞

發(fā)動機(jī)缸蓋低周疲勞分析方法研究

王先瑞

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

由于缸蓋工作在高溫的環(huán)境中，并且在高低溫的循環(huán)變化下，缸蓋材料基本處于屈服狀態(tài)，同時缸蓋又受到爆發(fā)壓力等周期性的機(jī)械載荷，因此缸蓋極易發(fā)生開裂的情況。針對某直列四缸發(fā)動機(jī)，研究缸蓋的低周疲勞分析方法，在發(fā)動機(jī)初期對缸蓋的危險位置進(jìn)行預(yù)測，分析表明，此方法可以有效的預(yù)測缸蓋的低周疲勞安全系數(shù)。

低周疲勞；有限元方法；sehitoglu損傷模型

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-74-03

缸蓋作為發(fā)動機(jī)的核心零部件，也是工作環(huán)境最惡劣的部件之一。承受著氣體燃燒產(chǎn)生的高溫，在高溫環(huán)境中，缸蓋材料的機(jī)械性能會有明顯的下降。高低溫交替變化，同時又承受循環(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。

目前對于低周疲勞的分析并沒有很好的方法，由于試驗(yàn)方法需要很高的費(fèi)用且時間較長并不能得到很好的應(yīng)用。本文基于sehitoglu低周損傷模型，運(yùn)用有限元的方法，得到燃燒室的疲勞壽命分布，此方法可以提前預(yù)測缸蓋的薄弱部位，指導(dǎo)缸蓋設(shè)計。

1 分析方法研究

產(chǎn)生熱機(jī)械疲勞破壞的部件往往受到非常復(fù)雜的載荷情況。如發(fā)動機(jī)缸蓋，根據(jù)裝配關(guān)系以及發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的狀態(tài)，缸蓋受到的載荷包括缸蓋螺栓預(yù)緊力、氣門導(dǎo)管和氣門座圈裝配過盈量、缸內(nèi)氣體爆發(fā)壓力以及溫度載荷，其中缸蓋螺栓預(yù)緊力和裝配過盈量為恒定載荷，即在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的各個工況不發(fā)生較大的變化。而缸內(nèi)爆發(fā)壓力和溫度載荷則隨著工況的變化而變化，即為周期載荷，載荷情況隨時間變化非常復(fù)雜，用有限元的方法模擬這一過程，將付出非常長的時間周期以及產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，這在工程上是不可接受的。

因此我們需要把這一復(fù)雜的非線性問題分解為兩個小的可以解決的問題，把兩個耦合在一起的周期載荷解耦，首先把缸蓋的復(fù)雜載荷過程分解成溫度恒定機(jī)械載荷周期變化（圖1所示）和機(jī)械載荷恒定溫度周期變化（圖2所示）的兩個子過程，恒溫變機(jī)械載荷過程使用標(biāo)準(zhǔn)的疲勞損傷模型，標(biāo)準(zhǔn)的材料參數(shù)，載荷隨時間變化，對于此類問題的研究已經(jīng)比較成熟，在項目中已經(jīng)得到很多的應(yīng)用。而恒機(jī)械載荷變溫度的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。這里的疲勞損傷模型使用Sehitoglu損傷模型，把缸蓋的總體損傷分解成機(jī)械損傷、環(huán)境損傷和蠕變損傷。材料屬性則包括彈性模量、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、塑性屬性、老化、氧化以及蠕變屬性等，且都與溫度相關(guān)。

圖1 恒溫變載荷工況

圖2 恒機(jī)械載荷變溫度工況

2 低周損傷理論

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△γmech為剪切應(yīng)變，E為彈性模量，υ為泊松比，σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，ε'f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，φOX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，△H為活化能，為蠕變相位，。[1-7]

3 低周疲勞分析

3.1 有限元前處理

根據(jù)缸蓋重點(diǎn)考察區(qū)域，以及載荷的情況，有限元分析模型包括缸蓋、缸體、缸墊、缸蓋螺栓、氣門座圈、氣門導(dǎo)管及氣門等部件。網(wǎng)格劃分的基本原則為既能保證分析精度，又能減少分析時間。這就要求重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域以及邊界加載區(qū)域劃分比較細(xì)密的網(wǎng)格，而非關(guān)注區(qū)域劃分尺寸較大的網(wǎng)。其中缸蓋部分的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 缸蓋部分網(wǎng)格

3.2 低周疲勞分析工況

模擬分析中一個疲勞循環(huán)工況持續(xù)時間T，只需控制部件的溫度即可，一個工況包括四個過程，從怠速到全速全負(fù)荷工況，保持全速全負(fù)荷工況，降低到怠速工況，保持怠速工況。由于考慮材料的塑性和蠕變等特性，開始幾個疲勞循環(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階段，初始循環(huán)階段包括兩個疲勞工況，然后持續(xù)30小時，目的是使蠕變特性表現(xiàn)出來，最后穩(wěn)定循環(huán)階段包括兩個疲勞循環(huán)工況，最后一個循環(huán)用于疲勞分析。[8-12]

圖4 低周疲勞循環(huán)工況

3.3 分析結(jié)果

圖5 缸蓋低周疲勞壽命分布

首先進(jìn)行傳熱分析，得到全速全負(fù)荷工況以及怠速工況下的溫度分布，再根據(jù)低周疲勞循環(huán)工況進(jìn)行應(yīng)力分析，得到穩(wěn)定循環(huán)下的缸蓋的應(yīng)力應(yīng)變分布，最后基于sehitoglu方法進(jìn)行缸蓋的低周疲勞壽命分析，得到一個循環(huán)的總損傷，根據(jù)Miner損傷累積理論得到缸蓋的低周疲勞壽命分布，如圖5所示，可以看出，在缸蓋燃燒室的預(yù)熱塞處壽命較小，存在低于4000個循環(huán)的區(qū)域，有較大的風(fēng)險。

經(jīng)過4000個循環(huán)的試驗(yàn)后拆機(jī)發(fā)現(xiàn)，在燃燒室預(yù)熱塞處出現(xiàn)疲勞裂紋，如圖6所示，與分析結(jié)果位置基本一致。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

3.4 設(shè)計優(yōu)化

從結(jié)果分析，加工預(yù)熱塞孔角度較大，使邊緣部分有一定的尖角，且發(fā)現(xiàn)在裂紋位置壁厚較其他部分厚，導(dǎo)致溫度不均勻，產(chǎn)生較大的塑性變形，這些都會影響低周疲勞壽命，基于以上分析，在產(chǎn)生裂紋位置加工一個卸載槽，在去掉尖角的同時，降低此位置的厚度，使熱量可以充分的被冷卻液帶走，針對優(yōu)化的方案進(jìn)行低周疲勞分析，結(jié)果如圖7，可以看出，在預(yù)熱塞的位置低周疲勞壽命大于10000，有明顯的改善。

圖7 優(yōu)化后的低周疲勞壽命分布

針對優(yōu)化后的模型重新進(jìn)行試驗(yàn)測試，經(jīng)過4000個循環(huán)的驗(yàn)證后，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看出，通過增加卸載槽后預(yù)熱塞位置沒有發(fā)生疲勞裂紋，通過了驗(yàn)證。

圖8 優(yōu)化后模型試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過低周疲勞分析，發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室在預(yù)熱塞位置存在開裂的風(fēng)險，從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4000個循環(huán)的低周疲勞試驗(yàn)，預(yù)熱塞位置出現(xiàn)疲勞裂紋，與分析結(jié)果基本一致。經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化后沒有出現(xiàn)疲勞裂紋，通過驗(yàn)證。

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Low Cycle Fatigue Analysis Method Study of Cylinder Head

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

Due to cylinder head work in high temperature environment, and under the high and low temperature cycle changes, the cylinder head material is always in yield condition, the cylinder head is under the periodic mechanical load, such as the gas load etc, so the crack of the cylinder head easily happened. In this paper for an inline four-cylinder engine, the low cycle fatigue analysis method of cylinder head is studied, at the beginning of the engine design, the dangerous position of the cylinder head is forecasted. The analysis shows that this method can effectively predict the low cycle fatigue safety factor of cylinder head.

low cycle fatigue; finite element method; damage model based on sehitoglu

U464

A

1671-7988(2017)16-74-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.027

王先瑞，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。