基于有限元的缸盖优化设计

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摘 要：發动机缸盖在高低温的周期变化下会发生低周疲劳破坏，文章基于有限元的方法，对某汽油机缸盖进行低周疲劳分析，针对缸盖燃烧室的寿命问题进行优化，优化后的缸盖寿命大大提升。

关键词：缸盖设计;有限元方法;低周疲劳

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2018）24-177-02

The Optimum Design of Cylinder Head Based on Finite Element Method

Ji Mingwei， Chang Yaohong， Xing Guoyu

（ Jianghuai Automobile Co.， Ltd.， Anhui Hefei 230601 ）

Abstract： 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.Keywords： cylinder head design; finite element method; low cycle fatigueCLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2018）24-177-02

前言

随着汽车排放及油耗法规的进一步加严，发动机设计中缸盖承受的温度以及爆发压力逐渐增加，导致发动机缸盖受到的热机械负荷提升较大，导致缸盖发生低周疲劳破坏，目前针对缸盖的低周疲劳模拟分析研究较少，而试验方法既费时，又不能很好的找到影响低周疲劳的关键因素。

本文基于sehitoglu低周疲劳损伤模型，利用有限元的方法对缸盖低周疲劳进行预测，针对某汽油机缸盖进行优化设计。

1 低周疲劳损伤模型

根据sehitoglu损伤理论，总损伤为机械损伤（D_fat）、氧化损伤（D_ox）以及蠕变损伤（D_creep）之和，如式1所示。

                             （1）

机械损伤模型基于Coffin-Manson公式：

其中△γ_mech为剪切应变，E为弹性模量，υ为泊松比，σ"_f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε_f为疲劳延展性系数，c为疲劳延展性指数，为机械损伤寿命。

氧化损伤模型为：

其中h_cr为临界裂纹长度，δ_O为氧化物延展性，B、β为材料常量，α为应变率敏感性常量，K_peff为有效氧化常量，为氧化应变，为氧化寿命，为氧化相位，。

蠕变损伤模型为：

其中A、m为材料常量，K近似为屈服强度，α₁、α₂为比例因子，△H为活化能，为蠕变相位，。^[1-7]

2 有限元分析方法及网格处理

缸盖工作中受到的载荷包括缸盖螺栓预紧力、气门座圈过盈量、气门导管过盈量以及温度载荷，根据载荷情况，确定有限元模型包括的部件为缸盖、缸体、缸盖螺栓、汽缸垫、气门座圈、气门导管以及气门。网格模型如图1所示，由于缸盖容易发生低周疲劳破坏的区域在燃烧室部分，因此此位置需要划分较细密的网格，且网格质量要求较高。

3 基于稳态温度场的低周疲劳计算

分析主要考虑全速全负荷工况以及怠速工况，先通过CFD分析得到燃烧室、进排气道以及水套的温度及换热系数边界。再通过双向流固耦合计算得到两种工况下的缸体缸盖温度场分布。

低周疲劳分析工况如图2所示，模拟分析中一个疲劳循环工况持续360s，一个工况包括四个过程，从怠速到全速持续90s，保持全速90s，降低到怠速90s，保持怠速90s。分析又分为三个阶段，初始循环阶段包括两个疲劳工况，然后持续30小时，目的是使蠕变特性表现出来，最后稳定循环阶段包括两个疲劳循环工况，最后一个循环用于疲劳分析。稳

态温度场考虑的是在两种工况交替的时候中间的过程温度为线性增加，疲劳寿命分布如图3所示，可以看出燃烧室部位疲劳寿命为3790个循环，存在一定的风险，寿命低的原因主要为该位置存在结构突变，且处在温度梯度较大的区域，导致塑性应变较大，针对此位置进行优化，增加圆角尺寸，减小应力集中。

优化后结果如图4所示，可以看出，增加圆角尺寸后该位置的寿命值提升到7473个循环，提升较大，满足了设计要求。

4 结论

1）采用sehitoglu低周疲劳分析模型，基于有限元方法，把缸盖复杂的载荷情况简化为恒机械载荷温度周期变化的过程，模型考虑了材料的塑性、蠕变等非线性特性，并结合多学科的耦合计算，模拟部件的低周疲劳特性。

2）通过对某汽油机缸盖的低周疲劳分析，发现缸盖燃烧室位置最低寿命为3790个循环，存在一定的风险，通过对该位置圆角尺寸的优化，经过重新分析后最低寿命提升为7473个循环，满足了设计的需求。

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