基于發動機臺架考核方法的氣缸蓋高周疲勞特性研究

李鵬，付文清，景國璽，文洋，許春光

(1.中國北方發動機研究所(天津),天津 300400；2.中國兵器科學研究院,北京 100089)

基于發動機臺架考核方法的氣缸蓋高周疲勞特性研究

李鵬1，付文清2，景國璽1，文洋1，許春光1

(1.中國北方發動機研究所(天津),天津 300400；2.中國兵器科學研究院,北京 100089)

依據發動機臺架考核規范，運用疲勞強度理論，對某鑄鐵氣缸蓋進行高周疲勞強度評估。明確溫度和應力隨考核工況改變的變化行為，研究氣缸蓋各區域受工作載荷的影響狀況，為缸蓋壽命評估模型提供載荷邊界。結合疲勞理論，在考慮材料修正的基礎上進行了疲勞特性分析和損傷狀況分析。分析表明，氣缸蓋各區域的疲勞安全系數均大于1，視為安全，但冷卻鉆孔區域的安全裕度較小。

氣缸蓋；高周疲勞特性；累積損傷

氣缸蓋作為燃燒室的重要組成部分，在發動機工作過程中，承受氣體力和缸蓋螺栓預緊所產生的機械負荷，同時還由于與高溫燃氣接觸而承受很高的熱負荷，是發動機中典型的承受高溫、高壓、高載的結構件。大量文獻研究表明[1-2]，熱載荷與機械載荷共同作用，容易引起氣缸蓋高周疲勞，失效部位大多產生于氣道壁、水腔隔板等薄壁區域。因此，結構疲勞分析是氣缸蓋研發過程中必須開展和重視的工作。本研究結合高周疲勞理論[3-4]，通過有限元分析方法，以某發動機鑄鐵缸蓋為研究對象，以發動機典型臺架耐久規范為依據，開展高周疲勞特性研究，重點關注缸蓋的疲勞特性變化以及考核周期內的損傷累積狀況。

1 研究思路

氣缸蓋受力狀況復雜，受力示意見圖1。工程上通常采用臺架耐久性試驗[5-7]對發動機高周疲勞特性進行考核。圖2示出了發動機典型臺架耐久規范的示意。一個考核循環由若干考核工況組成，考核工況的選取以發動機實際工作中的重要工況為依據，其中包括標定工況(持續時間t1)、怠速工況(持續時間t5)，以及其他需要關注的過渡工況。該試驗方法能夠較為全面地考核發動機在實際工作工況下的高周疲勞性能，但需要耗費大量的人力、物力和財力。

圖1 氣缸蓋受力示意

圖2 發動機臺架疲勞耐久試驗考核工況示意

本研究利用仿真分析手段，按照發動機臺架耐久考核規范中規定的考核工況和考核周期，對氣缸蓋進行高周疲勞壽命評估。具體研究思路見圖3。首先，通過實測溫度和應力數據對仿真邊界進行修正，采用此標定模型計算不同轉速下缸蓋的應力應變行為，以此作為高周疲勞分析的載荷譜，并結合材料疲勞參數和影響因素，研究缸蓋的高周疲勞特性。仿真分析模型包括缸蓋、進排氣門、氣門導管、缸蓋螺栓、氣缸墊和氣缸體等部件，其中對缸蓋火力面等關鍵區域進行了網格細化。

圖3 研究思路

2 氣缸蓋載荷特性研究

2.1不同考核工況下的溫度特性分析

氣缸蓋傳熱過程可認為是穩態傳熱問題，可表述為[8-10]

(1)

式中：T(x,y,z)為溫度場。求解方程式采用第三類熱邊界條件，可描述為

(2)

式中：Γ，n分別表示氣缸蓋邊界和邊界的法向；λ為導熱系數，Tm為周圍介質的溫度；α為傳熱系數。

結合溫度、應力和疲勞計算分析，從缸蓋各區域選取特征危險點作為應力考察點(見圖4)。圖4中，T為頂板特征點，M為進氣道特征點，W為水腔特征點，D和H分別為底板和冷卻鉆孔區域特征點。

圖4 氣缸蓋各區域特征關注點示意

通過一維缸內性能分析獲得火力面的溫度和傳熱系數；通過氣缸蓋冷卻水腔三維流場分析，獲得水腔表面的溫度和傳熱系數[11-15]。將計算結果映射到氣缸蓋結構網格中，實現流固耦合，以完成缸蓋溫度場模擬。測溫測點布置與結果對比見圖5。由圖5可見，多數測點實測值和計算值偏差在10 ℃以內，可以認為仿真邊界合理。以此標定模型計算標定工況下缸蓋溫度場分布(見圖6)。由圖6可知，火力面區域溫度較高，整體溫度高于400 ℃，表明該鑄鐵氣缸蓋的熱負荷很高。最高溫度出現在兩排氣門鼻梁區域靠近氣門座孔邊緣處。排氣道區域溫度在200 ℃左右，進氣道溫度在80～100 ℃之間，可以看出氣缸蓋整體的溫度梯度較大。

圖5 測點布置與結果對比

圖6 標定工況下氣缸蓋溫度場分布云圖

隨著轉速的變化，特征點溫度變化規律見圖7。由圖7可知，轉速的升高對底板特征點溫度影響最大，使其呈直線上升；對其他區域的溫度影響較小，當達到怠速工況之后，溫度平緩增加。

圖7 特征關注點溫度隨轉速的變化

2.2不同考核工況下的應力應變特性分析

在溫度場分析的基礎上，對有限元模型加載氣體力載荷和邊界約束，實現熱機耦合仿真分析。為標定耦合分析模型，在預緊狀態下對缸蓋頂部和螺栓立墻側壁進行了應力測試，與仿真值對比見圖8。由圖可見，多數測點應力偏差較小，認為仿真模型合理可信。計算得到的標定工況下特征點的主導應力見圖9?？梢钥闯?，在預緊工況下，頂板和進氣道區域主要承受拉應力，水腔、冷卻鉆孔及底板區域主要承受壓應力；隨著熱載荷的施加，冷卻鉆孔區域的受力形式發生變化，由壓載變為拉載。底板區域的受壓狀況急劇增加，這是由于熱載荷對底板的影響最大，在約束條件下使底板的壓應力增大，底板向燃燒室方向膨脹，對頂部考察點耦合應力有緩解作用。氣體力作用后，頂板和進氣道區域的應力值增加，其他區域應力值變化幅度較小。結合圖10可知，預緊載荷和氣體力載荷對頂板、水腔和進氣道區域的受力狀況占主導作用；溫度載荷對冷卻鉆孔和底板區域的受力狀況占主導作用。

圖8 預裝配載荷下應力仿真與實測對比

圖9 標定工況下特征關注點主導應力值

圖10 各載荷對耦合應力的影響

特征點耦合主導應力隨轉速的變化規律見圖11。由圖11可知，隨著轉速的升高，各區域的受力形式未發生變化，但受力程度有一定的加劇。當達到最大扭矩工況之后，各區域特征點的主導應力的變化均趨于平緩。

圖11 特征關注點主導應力隨轉速的變化

標定工況下氣缸蓋變形云圖見圖12。由圖12可知，進氣側整體變形大于排氣側，表明進氣側剛度較排氣側弱，這是由于排氣道為對稱結構，且所占空間較??；而進氣道所占空間大，降低了進氣側的剛度。

圖12 標定工況下氣缸蓋變形分布云圖

3 氣缸蓋高周疲勞研究

3.1疲勞特性研究

多數疲勞數據都是按照對稱載荷(即R=-1)測試而得，但大多數零部件工作載荷為非對稱載荷，即含有非零的平均應力。因此，考慮平均應力對疲勞過程的影響非常重要，這樣才能有效地使用由對稱載荷得到的試驗數據來評估零部件的疲勞特性。通常采用疲勞極限圖描述給定壽命下平均應力的影響。其中，Haigh疲勞極限圖為常用的疲勞極限圖。

根據材料的強度極限、屈服極限、對稱拉壓疲勞極限和脈沖拉壓疲勞極限等數據，可以繪制材料的Haigh疲勞極限圖(如圖13中的實線所示)。將材料極限應力線各特征點的縱坐標乘以由式(3)計算得到的總體影響系數，特征點的橫坐標保持不變，便可得到構件極限應力線的特征點，由這些特征點連接而成的曲線即為構件的極限應力線(如圖13中的虛線所示)。

(3)

式中：ftot,af為總體影響系數；f1為統計學影響系數；f2為應力梯度影響系數；f3為表面粗糙度和鍛造度的綜合影響系數；f4為表面處理工藝綜合影響系數；f5為溫度影響系數；f6為普通表面影響系數；f7為工藝尺寸影響系數。

圖13 修正前后的Haigh疲勞極限圖

確定構件的Haigh疲勞極限圖后，便可基于該圖進行機械零件的疲勞強度計算。首先需計算出氣缸蓋各節點危險截面上的最大工作應力σmax及最小工作應力σmin，據此計算出工作平均應力σm、工作應力幅σa及應力比R。然后，在構件極限應力線圖上可找到對應于坐標(σm,σa)的一個工作應力點P(見圖13)。安全系數計算時所用的極限許可應力是零件的極限應力曲線上(虛線)與工作應力點P對應的某點Q所代表的應力。按等應力比即R=C的情況計算安全系數，點Q為坐標原點O與工作應力點P的連線OP所在直線與極限應力線的交點。在確定點Q后，疲勞安全系數計算式如下：

(4)

式中：σalim為極限應力幅；σa為工作應力幅；|OP|，|OQ|分別為點P、點Q與原點O連線的長度。

對氣缸蓋高周疲勞而言，螺栓預緊載荷和熱載荷作用主要影響高周疲勞載荷中的平均應力，氣體力作用主要影響應力幅。基于臨界平面法獲得了各考核工況下缸蓋結構的平均應力和應力幅。圖14示出了標定工況下缸蓋的平均應力和應力幅分布云圖。不同轉速下，各特征點平均應力和應力幅變化見圖15。由圖15可知，在達到最大扭矩工況之前應力幅呈現增大趨勢，之后變化趨于平緩；底板特征點的平均應力呈現減小趨勢，這與材料特性有關。其余特征點的平均應力變化平緩。

圖14 標定工況平均應力和應力幅分布

圖15 特征關注點平均應力和應力幅隨轉速的變化

該氣缸蓋材料的疲勞參數見表1，Haigh疲勞極限圖見圖16。

表1 RuT350材料疲勞參數

圖16 RuT350材料Haigh疲勞極限圖

在進行疲勞分析過程中，考慮應力梯度、溫度、表面粗糙度及統計學等影響，得到標定工況下的疲勞安全系數分布(見圖17)。表2示出了特征關注點的溫度、應力幅、平均應力、各修正系數和疲勞安全系數的分析結果。由表2可知，各區域特征關注點的疲勞安全系數均大于1，視為安全，但冷卻鉆孔區域的安全裕度較小。各特征點的疲勞安全系數隨著轉速的變化曲線見圖18。在達到怠速之后，各特征點的疲勞安全系數呈降低趨勢。其中，底板特征點的變化幅度較大，其他各區特征點的變化平緩。

圖17 標定工況下疲勞安全系數分布

節點編號應力幅/MPa平均應力/MPa各節點Haigh圖影響系數安全系數T15．9139．8f1=1．17；f2=1．4；f3=0．931；f4=1；f5=0．975；f6=1；f7=11．73W0．5-227．8f1=1．17；f2=1．44；f3=0．931；f4=1；f5=0．976；f6=1；f7=11．75M16．8122．5f1=1．17；f2=1．45；f3=0．931；f4=1；f5=0．977；f6=1；f7=11．93D10．7-146．4f1=1．17；f2=1．47；f3=0．911；f4=1；f5=0．976；f6=1；f7=11．28H12．2248．5f1=1．17；f2=1．43；f3=0．911；f4=1；f5=0．976；f6=1；f7=11．09

圖18 特征關注點疲勞安全系數隨轉速的變化

3.2損傷狀況研究

疲勞累積損傷理論是研究在變幅疲勞載荷作用下疲勞損傷的累積規律和疲勞破壞準則，對疲勞壽命預測十分重要。線性累積損傷理論是指在循環載荷作用下，疲勞損傷與載荷循環數的關系是線性的，且疲勞損傷可以線性累加，各個應力之間相互獨立、互不相關，當累加的損傷達到某一數值時，構件就會發生疲勞破壞。線性累積損傷理論中最典型的是Miner理論[16]，在工程上因簡便和計算精度較高而得到廣泛的應用。

按照Miner線性累積損傷理論，構件在某恒幅應力S作用下，循環至破壞的壽命為N，則定義其在經歷n次循環時的損傷為

D=n/N。

(5)

若在k個應力水平Si作用下，各經歷ni次循環，則總損傷定義為

(6)

當構件發生損傷破壞時，滿足式(7)。

(7)

累積損傷破壞原理見圖19。

圖19 累積損傷原理

按照圖1所述的發動機臺架考核規范，計算氣缸蓋在各分析工況持續時間內的損傷值，并依據Miner線性累積損傷理論，計算考核周期內的總損傷值和壽命，各特征點的損傷情況見表3?？倱p傷的倒數即為壽命，其物理意義表示能夠進行的考核時間。

表3 一個考核周期內各特征點的總損傷

4 結論

a) 該鑄鐵氣缸蓋的火力面區域熱負荷很高，最高溫度出現在兩排氣門鼻梁區域靠近氣門座孔邊緣處，隨著轉速的升高，底板區域溫度直線上升；

b) 預緊載荷和氣體力載荷對頂板、水腔和進氣道區域的受力狀況占主導作用；溫度載荷對冷卻鉆孔和底板區域的受力狀況占主導作用;進氣側整體變形大于排氣側；

c) 螺栓預緊載荷和熱載荷作用主要影響高周疲勞載荷中的平均應力，氣體力作用主要影響應力幅,各區域特征關注點的疲勞安全系數均大于1，視為安全，但冷卻鉆孔區域的安全裕度較小。

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HighCycleFatiguePropertyAnalysisofCylinderHeadBasedonEngineBenchTestingMethod

LI Peng1，FU Wenqing2，JING Guoxi1，WEN Yang1，XU Chunguang1

(1.China North Engine Research Institute(Tianjin)，Tianjin 300400,China;2.Ordnance Science and Research Academy of China,Beijing 100089,China)

The high cycle fatigue strength of a cast iron cylinder head was evaluated according to engine bench test standard based on fatigue strength theory. The changing behaviors of temperature and stress with test conditions were identified and the influences of working load on each area of cylinder head were studied, which provided the load boundary for the life assessment model of cylinder head. The fatigue and damage analysis were further carried out according to fatigue theory based on the material correction. The analysis shows that the fatigue safety factor for each area of cylinder head except the cooling drilling hole is greater than 1, which is regarded to be safe.

cylinder head；high cycle fatigue property；cumulative damage

2017-04-15；

2017-10-12

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.1001-2222.2017.05.010

TK423.2

B

1001-2222(2017)05-0051-06

[編輯： 姜曉博]