基于能量法的氣缸蓋低周熱機疲勞壽命預測方法研究

李鵬， 景國璽， 許春光， 文洋， 龐建超， 高英英

(1. 中國北方發(fā)動機研究所(天津), 天津 300400； 2. 中國科學院金屬所, 遼寧 沈陽 110016)

基于能量法的氣缸蓋低周熱機疲勞壽命預測方法研究

李鵬1， 景國璽1， 許春光1， 文洋1， 龐建超2， 高英英1

(1. 中國北方發(fā)動機研究所(天津), 天津 300400； 2. 中國科學院金屬所, 遼寧 沈陽 110016)

通過測試氣缸蓋本體解剖試樣，獲得氣缸蓋材料的循環(huán)應力應變特性，并利用仿真方法驗證其合理性。在此基礎上，依據(jù)發(fā)動機低周疲勞臺架考核方法，運用子模型分析技術，得到考核循環(huán)內(nèi)氣缸蓋火力面的應力分布和塑性變形特性。基于塑性應變能理論，結合試驗測試，對火力面低周熱機疲勞壽命進行預測和評估，分析表明排氣鼻梁區(qū)的壽命較低，約為1 100 次。

氣缸蓋； 低周熱機疲勞； 壽命預測； 塑性應變； 能量法

發(fā)動機工況復雜且多變，當工況發(fā)生變化時，缸內(nèi)溫度大幅波動，使氣缸蓋產(chǎn)生低頻寬幅熱應力，往往會使火力面鼻梁區(qū)產(chǎn)生塑性變形，容易引起低周疲勞失效[1-7]，功率大、熱負荷高的發(fā)動機更是如此，在疲勞考核中必須予以重視。本研究利用仿真分析手段，結合材料溫度非線性和彈塑性，得到循環(huán)周期內(nèi)氣缸蓋的應力和塑性變形，以繪制循環(huán)應力應變曲線，并依據(jù)塑性應變能理論，考核火力面的低周熱機疲勞壽命。

1 氣缸蓋材料塑性特性表征研究

結合塑性應變能理論可知，循環(huán)塑性變形及其累積是導致低周疲勞損傷的基本原因。因此，在分析過程中，材料塑性特性的獲取與處理直接影響評價結果的準確性。因此，本研究通過對試驗測試數(shù)據(jù)的分析處理，得到評估過程中的有效數(shù)據(jù)，具體研究思路見圖1。

由燃燒帶來的高溫氣體沖擊導致氣缸蓋火力面溫度很高，且溫度梯度較大，氣缸蓋會產(chǎn)生很大的熱應力。同時，在高溫影響下材料性能急劇下降，熱應力往往會導致火力面發(fā)生屈服現(xiàn)象。通過熱機疲勞試驗，可獲得材料的循環(huán)應力應變關系。

圖1 研究思路

熱機疲勞試驗在計算機輔助控制的MTS810液壓伺服疲勞試驗機上進行。采用高頻感應線圈對試樣標距部分進行加熱，通過在試樣標距范圍內(nèi)點焊熱電偶來控制溫度。冷卻方式為壓縮冷卻空氣吹向試樣標距表面(見圖2)。采用機械應變控制的三角波加載，應變比R=-1。應變控制通過軸向高溫陶瓷引伸計來實現(xiàn)。

圖2 感應加熱和冷卻系統(tǒng)示意

分析對象為鑄鐵氣缸蓋，由測溫試驗測得，標定工況下進氣鼻梁區(qū)和進、排氣鼻梁區(qū)的溫度在400 ℃左右，排氣鼻梁區(qū)的溫度約為500 ℃。因此，在進行材料塑性特性測試時，針對該氣缸蓋火力面的工作溫度和受力特性，在氣缸蓋底板區(qū)域取樣，在不同溫度(400 ℃和500 ℃)、不同應變幅速率(0.3%，0.25%，0.2%，0.15%)下測試材料的循環(huán)應力應變特性。

受試驗周期和試驗成本的制約，本次測試僅測得氣缸蓋材料的循環(huán)應力應變曲線，而在進行彈塑性仿真分析時，需要材料的應力應變曲線。因此，必須利用已有測試數(shù)據(jù)，來擬合獲取該應力應變曲線。

由Ramberg-Osgood[8-11]模型可知，材料的總應變可分解為彈性應變和塑性應變兩個分量，可描述為

(1)

式中：ε為總應變；εe為彈性應變；εp為塑性應變； σ為應力； E為彈性模量； K′為循環(huán)強度系數(shù)； n′為循環(huán)應變硬化指數(shù)。

為獲取氣缸蓋材料的應力應變曲線，需對試驗測試得到的循環(huán)應力應變曲線數(shù)據(jù)進行分析處理，處理方式見圖1。同時，為驗證圖1方法得到的應力應變曲線是否能夠反映該材料真實的應力應變行為，建立試驗試樣的有限元模型，依據(jù)試驗狀態(tài)加載約束邊界，并將按照圖1所示方法獲取的材料應力應變曲線作為材料邊界，進行彈塑性分析。計算得到試樣的應力應變行為，并與試驗測試結果進行對比(見圖3和圖4)。試樣的仿真結果與試驗結果的最大誤差為4.7%，吻合度較高，表明通過圖1所示方法得到的應力應變曲線能夠表征材料的塑性特性。

2 氣缸蓋載荷響應特性研究

實際工作中，發(fā)動機存在大量的啟停工況，這種大幅的工況波動易產(chǎn)生低頻波動熱應力，通常會導致缸蓋火力面發(fā)生熱機疲勞失效，這種由低頻載荷引起的破壞稱為低周疲勞。臺架試驗中，通過在怠速工況與標定工況間的交替變化，完成一個熱機疲勞考核循環(huán)(TMF)，對缸蓋進行低周疲勞考核(見圖5)。每個TMF的周期由考核規(guī)范所確定，本研究在分析時，假定1個TMF的循環(huán)周期為6 min，標定工況和怠速工況各為3 min。

圖3 400 ℃下應力應變行為的仿真結果與試驗結果對比

圖4 500 ℃下應力應變行為的仿真結果與試驗結果對比

圖5 循環(huán)內(nèi)考察點應力變化

在考核過程中，氣缸蓋火力面承受的溫度和氣體力載荷較高，會產(chǎn)生塑性變形，是低周疲勞分析的考核重點。其他區(qū)域溫度和應力水平較低，最大應力小于材料屈服強度。若通過整體有限元模型進行彈塑性分析，既費時又增大了收斂難度。基于此，本研究應用子模型分析技術，以火力面為計算區(qū)域，進行彈塑性分析和低周疲勞壽命預測。子模型示意及考察點分布見圖6，其中，考察點A位于排氣鼻梁區(qū)氣門座圈孔邊緣，考察點B，C位于進排氣鼻梁區(qū)氣門座圈孔邊緣，考察點D位于進氣鼻梁區(qū)氣門座圈孔邊緣。

基于子模型方法，在考慮材料溫度非線性和彈塑性的基礎上，計算得到5個考核循環(huán)內(nèi)塑性應變變化(見圖7)和塑性應變方向的應力變化(見圖8)。火力面應力分布見圖9。由圖7可知，循環(huán)內(nèi)考察點塑性應變總體呈減小趨勢，最后趨于穩(wěn)定。由圖8、圖9和表1可知，在標定工況下，火力面鼻梁區(qū)主要承受壓應力，在怠速工況下，火力面鼻梁區(qū)主要承受拉應力，且在標定—怠速—標定工況的變化過程中，應力波動較大，幅值達到600 MPa。

圖7 循環(huán)內(nèi)考察點塑性應變變化

圖8 循環(huán)內(nèi)考察點應力變化

圖9 火力面應力分布云圖

考察點編號塑性應變方向的應力/MPa標定工況怠速工況A-343．8312．2B-357．5329．2C-352．3315．8D-365．2335．8

3 氣缸蓋低周熱機疲勞壽命研究

3.1 能量法理論

已有低周疲勞壽命預測的能量模型反映了物系運動的熵守恒定律和能量守恒定律。目前，低周疲勞壽命預測的能量模型主要基于3類理論：塑性應變能理論、總應變能理論和耗散能理論[21-15]。本研究在進行缸蓋低周疲勞壽命預測時，采用塑性應變能理論。

塑性應變能理論認為循環(huán)塑性變形及其累積是導致疲勞損傷的基本原因，塑性應變能是描述疲勞損傷的一個重要參量，塑性應變能密度與疲勞壽命之間滿足如下關系式：

Wp=C·Nfa。

(2)

式中：Wp為塑形應變能密度；Nf為疲勞壽命；a與C為材料常數(shù)。

3.2 氣缸蓋低周熱機疲勞壽命預測

由式(2)可知，基于塑性應變能理論求解火力面低周疲勞壽命時，需確定材料常數(shù)a與C以及考察點的應力—塑性應變變化曲線。

首先，對實測的試樣的循環(huán)應力應變曲線數(shù)據(jù)進行分析處理，通過編制程序，計算不同應變速率下的循環(huán)應力應變曲線所圍成的面積，其物理意義代表塑性應變能密度。結合實測的試樣的低周壽命，擬合求解材料常數(shù)a與C。

針對考察點的工作溫度，繪制400 ℃和500 ℃下材料的塑性應變能密度與壽命之間的關系曲線(見圖10和圖11)。由圖10和圖11擬合求解得出，400 ℃下材料參數(shù)a與C分別為-0.956和400.51，500 ℃下材料參數(shù)a與C分別為-1.064和755.97。

圖10 400 ℃下材料的塑性應變能密度與壽命的關系

圖11 500 ℃下材料的塑性應變能密度與壽命的關系

由圖7可知，在5個循環(huán)分析過程中，各考察點的塑性應變趨于穩(wěn)定。取最后一個分析循環(huán)內(nèi)的塑性應變和其對應的應力，繪制應力-塑性應變變化關系曲線(見圖12)。每個考察點的塑性應變和其對應的應力形成一個近似封閉的環(huán)。塑性應變能理論認為，該環(huán)所圍成的面積，其物理意義表示損傷過程中塑性功的累積。通過編制程序，計算圖12中4個考察點的應力-塑性應變曲線所圍成的面積，得到4個考察點的塑性應變能密度(見表2)。

圖12 最后一個循環(huán)考察點應力-塑性應變變化關系

考察點編號ABCD塑性應變能密度/MJ·m-30．43060．16250．09050．2561

最后，在確定材料常數(shù)和塑性應變能密度后，將其代入式(2)，計算各考察點的低周熱機疲勞壽命(見圖13)。其中，位于排氣鼻梁區(qū)座孔邊緣處考察點A的壽命最低，為1 120 次，表示考察點A能夠進行如圖5所示的1 120次循環(huán)。

圖13 考察點低周熱機疲勞壽命柱狀圖

4 結束語

對氣缸蓋本體進行取樣，測試得到氣缸蓋火力面工作溫度下(400 ℃，500 ℃)的循環(huán)應力應變曲線，通過分析求解得到循環(huán)強度系數(shù)和循環(huán)應變硬化指數(shù)，以擬合得到材料的應力應變特性，并通過試驗試樣仿真分析，驗證了材料應力應變特性的合理性，為氣缸蓋彈塑性分析提供材料邊界，并確保分析結果的準確性。在獲得材料邊界的基礎上，依據(jù)發(fā)動機低周疲勞臺架考核方法，運用子模型分析技術，計算得到5個考核循環(huán)內(nèi)的火力面的應力分布和塑性變形狀況，為氣缸蓋低周疲勞壽命預測提供載荷邊界。循環(huán)內(nèi)考察點的塑性應變總體呈減小趨勢，并趨于穩(wěn)定；在標定—怠速—標定工況變化過程中，塑變方向的應力波動較大，達到600 MPa。基于塑性應變能理論，結合試驗測試，求解得到氣缸蓋火力面工作溫度下，塑性應變能理論與低周疲勞壽命關系中的材料參數(shù)a與C，并通過計算考察點應力—塑性應變所圍成的環(huán)面積，得到塑性應變能密度，從而對考察點進行低周熱機疲勞壽命進行預測和評估。分析表明，排氣鼻梁區(qū)的壽命較低，約為1 100 次。

[1] Mario Metzger，Marc Leidenfrost,Ewald Werner,

et al. Lifetime Prediction of EN-GJV 450 Cast Iron Cylinder Heads[C].SAE Paper 2014-01-9047.

[2] Hazrat Ali Md, Masjuki Hassan,Kalam Md,et al.Determination of Time Variant 1D-3D Temperature and Heat Transfer Distribution Inside the Cooling Jacket of a SI Engine Cooling System after Key-Off[C].SAE Paper 2012-01-0642.

[3] Thomas Hamm, Martin Rebbert, Hermann-Josef Ecker,et al.Cylinder Head Design for High Peak Firing Pressures[C].SAE Paper 2008-01-1196.

[4] Halfpenny A, Anderson R,Lin X.Isothermal and Thermo-Mechanical Fatigue of Automotive Components[C].SAE Paper 2015-01-0548.

[5] Metzger M,Seifert T.A mechanism-based model for LCF/HCFand TMF/HCF life prediction: Multiaxial formulation, finite-elementimplementation and application to cast iron[J].TechnischeMechanik，2012，32：435-445.

[6] 張衛(wèi)正，張國華，郭良平.鑄鐵缸蓋熱疲勞壽命試驗及高溫蠕變修正[J].內(nèi)燃機工程，2002,23(6):67-69.

[7] 鄧幫林，劉敬平，楊靖，等.某缸蓋熱機疲勞分析[J].湖南大學學報，2012,39(2):30-34.

[8] 劉鴻文.簡明材料力學[M].北京：高等教育出版社，1997.

[9] 連尉安，張耀春，張文元.基于塑性應變能的鋼支撐疲勞損傷評估方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007,39(4):525-529.

[10] Surech S.Fatigue of Materials[M].北京：國防工業(yè)出版社，1993.

[11] Amir Ghasemi.Cylinder Head High/Low Cycle Fatigue CAE Analysis[C].SAE Paper 2012-01-1991.

[12] Jinlong M,ShixiongL.Structure Analysis of the NoseBridge of the Engine Cylinder Head[J].Tractors and PowerMachines,2006,11(2):52-57.

[13] Hartmann G，Sturm J.Integrated NumericalOptimization of Highly Loaded Aluminum Cylinder Heads[C].SAE Paper 2002-01-3429.

[14] 胡定云，陳澤忠，溫世杰，等.某柴油機氣缸蓋疲勞的可靠性預測[J].車用發(fā)動機，2008(增刊):38-40.

[15] 黃若，孟令廣，張虹.增壓器壓氣機葉輪低周疲勞強度有限元計算分析[J].內(nèi)燃機工程，2006,27(4):55-57.

[編輯: 李建新]

Low Cycle Thermo-mechanical Fatigue Life Prediction of Cylinder Head Based on Energy Method

LI Peng1, JING Guoxi1, XU Chunguang1, WEN Yang1, PANG Jianchao2， GAO Yingying1

(1. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China;2. Institude of Metal Research of CAS, Shenyang 110016, China)

The cyclic stress-strain characteristics of cylinder head were acquired by testing the anatomical cylinder head specimen and the feasibility of model was verified by the simulation method. Then the stress distribution and plastic deformation characteristics of cylinder head firing region were further acquired by using the sub-model analysis technology according to the low cycle fatigue bench test method. Based on the plastic stain energy theory and testing, the low cycle thermo-mechanical fatigue life of firing region was predicted and evaluated. The results show that the life of exhaust nose region is as short as about 1 100 times.

cylinder head; low cycle thermo-mechanical fatigue; life prediction; plastic strain; energy method

2016-01-26;

2016-11-29

李鵬(1986—)，男，助理研究員，碩士，主要研究方向為氣缸蓋結構設計及評估；li_peng_li1986@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.014

TK413.2

B

1001-2222(2016)06-0072-06