某柴油机的缸盖低周疲劳分析研究

打开文本图片集

摘 要：某柴油机在低周疲劳试验中发生缸盖开裂，本文基于有限元的方法，模拟发动机台架试验的过程，对缸盖低周疲劳进行分析研究，结果表明，缸盖在预热塞孔位置存在寿命低于4000的区域，与试验结果吻合。

关键词：低周疲劳;有限元方法;发动机缸盖

中图分类号：U262.11  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2018）24-119-03

The Low Cycle Fatigue Analysis of some Diesel Engine Cylinder Head

Zhang Bo

（ Jianghuai Automobile Group Co.， Ltd. Technology Center， 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： Low cycle fatigue; finite element method; cylinder head of engineCLC NO.： U262.11  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2018）24-119-03

前言

随着发动机能力的提升，发动机的最大爆发压力和缸盖的最高温度都有明显的增加，使得缸盖的热负荷增加，发动机缸盖的疲劳破坏风险更大，特别是低周疲劳。

本文基于sehitoglu低周疲劳损伤模型，利用有限元的方法基于瞬态温度边界对缸盖低周疲劳进行预测。

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。

机械损伤模型基于Coffin-Manson公式：

2 有限元分析方法及网格处理

缸盖在发动机工作过程中收到非常复杂的载荷，其中包括装配载荷，即缸盖螺栓预紧力和气门座圈过盈量，周期变化的缸内爆发压力，以及周期变化的温度载荷。我们把这一个复杂的过程简化为两个简单的过程，即分解成温度恒定机械载荷周期变化和机械载荷恒定温度周期变化的两个子过程，本文重点研究温度周期变化的过程，此过程需要特殊的疲劳损伤模型，以及特殊的材料属性，温度载荷随时间变化。

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 基于瞬态温度场的疲劳寿命计算

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，如图2、3所示。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，两种工况下缸盖燃烧室部位的温度场如图4、5所示。

在怠速工况到全速全负荷工况，在到怠速工况的变化中，缸盖的温度并不是线性变化的，稳态温度场在中间过程根据设置的步长线性插值。而考虑瞬态的温度场特性，温度场分析共分为五个循环，初始循环从室温到全速全负荷工况，再到怠速工况，每个循环持续360秒，如图6所示。

而有限元计算的低周疲劳循环工况与温度场分析工况相对应，同样为考虑材料的蠕变特性，在中间循环增加持续30小时的分析步，如图7所示。基于瞬态温度场边界的缸盖疲劳寿命分布如图8所示，可以看出，在燃烧室卸载槽的边缘有寿命低于4000个循环的区域，存在较大的开裂风险。

4 試验验证

试验时的低周循环工况与分析的工况基本一致，如图9所示。台架试验需要控制三个参数，发动机转速、负荷以及出水口温度。其中升温段180s，降温段180s，在升温段，转速和负荷提升到全速全负荷，而冷却液转换延迟25s，提升到全速全负荷后保持此工况到整个过程持续180s，然后开始降低转速和负荷，分别到怠速和无负荷工况，冷却液转换同样延迟25s，降低到此工况后保持，使整个过程持续180s，此过程为一个疲劳循环工况，试验共进行4000个循环。试验结果如图10所示，可以看出，在燃烧室卸载槽位置有明显的裂纹，位置与机遇瞬态温度场分析的结果一致。

5 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）经过试验验证，发现经过4000个低周疲劳循环后，缸盖燃烧室卸载槽边缘发生明显的开裂，位置与模拟计算中考虑瞬态温度场边界的结果一致，可以判断在模拟分析时，温度边界需要考虑瞬态温度场。

参考文献

[1] Surech，S.Fatigue of Materials[M].国防工业出版社，1993，389-404.

[2] 聂宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基础[J].航空学报， 1993，14（5）：310-312.

[3] 赵帅帅，陈永祥等.基于修正Coffin-Manson模型的加速寿命试验设计与评估[J].强度与环境，2013，40（4）：52-58.

[4] HU YanDong， HU ZhiZhong， CAO ShuZhen.Theoretical study on Manson-Coffin equation for physically short cracks and lifetime prediction[J].SCIENCE CHINA Technological Sciences，2012，55（1）：34-42.

[5] 胡延東，胡志忠，曹淑珍.物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命预测[J].中国科学：技术科学，2012，42（3）：272-281.

[6] 郭乙木，陈朝东，张仪萍.室温Manson-Coffin公式的一种修正[J].浙江大学学报，1998，32（6）：671-677.

[7] 杨俊，谢寿生，祁圣英等.基于等效应变的轮盘低循环疲劳寿命预测[J].空军工程大学学报，2010，11（6）：12-16.

推荐访问:分析研究 柴油机 疲劳 缸盖低周