基于試驗(yàn)和仿真的缸蓋疲勞耐久性研究

汪凱 王艷軍 陳明

摘要：以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋疲勞耐久性設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，對(duì)缸蓋材料進(jìn)行不同溫度下的疲勞測(cè)試，獲取詳細(xì)的缸蓋高、低周疲勞材料屬性，然后結(jié)合CAE疲勞分析方法和理論，進(jìn)行缸蓋金屬溫度場(chǎng)仿真、高周疲勞分析和低周疲勞壽命預(yù)測(cè)。該缸蓋疲勞分析方法結(jié)果可靠，可有效指導(dǎo)缸蓋疲勞耐久性設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：缸蓋;溫度場(chǎng);疲勞試驗(yàn);高周疲勞;低周疲勞

中圖分類號(hào)：U464.132;TP391.97文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組成部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，其可靠性和安全性直接決定發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。缸蓋燃燒室與活塞和機(jī)體缸套共同組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和做功的空間，氣體在此空間燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的溫度和爆發(fā)壓力。

在高溫環(huán)境中，缸蓋的材料性能會(huì)明顯下降;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化時(shí)，高低溫交替變化會(huì)產(chǎn)生熱載荷;同時(shí)，缸蓋還承受爆發(fā)壓力產(chǎn)生的循環(huán)機(jī)械載荷：缸蓋耐久性與可靠性受熱負(fù)荷和機(jī)械載荷的綜合影響，并且是流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)共同作用的結(jié)果。因此，缸蓋的疲勞分析尤為復(fù)雜和重要。確保缸蓋的疲勞耐久性、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)缸蓋安全壽命可指導(dǎo)其耐久性設(shè)計(jì)，這在國內(nèi)外都是一項(xiàng)值得研究的重要課題。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為研究對(duì)象，對(duì)缸蓋材料疲勞試驗(yàn)和仿真工作進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

1 缸蓋疲勞失效概述

疲勞失效的形式有很多種，按疲勞斷裂失效的循環(huán)次數(shù)可以將疲勞失效分為高周疲勞和低周疲勞2類。一般來說，汽油機(jī)缸蓋會(huì)同時(shí)涉及到這2種疲勞失效形式。

缸蓋高周疲勞主要指發(fā)動(dòng)機(jī)在某一工況下穩(wěn)定工作之后，以發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)作為一個(gè)疲勞循環(huán)的疲勞。此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到相對(duì)的熱平衡狀態(tài)，各零部件的溫度變化較小，缸蓋各區(qū)域的溫度也趨于穩(wěn)定。在這種工況下，缸蓋的疲勞損傷主要是發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中每個(gè)做功循環(huán)內(nèi)爆壓的循環(huán)變化引起的機(jī)械損傷。這種由爆壓變化引起的循環(huán)應(yīng)力變動(dòng)相對(duì)較小，循環(huán)次數(shù)較多，因此屬于高周疲勞。高周疲勞一般可采用應(yīng)力疲勞理論進(jìn)行研究。

缸蓋低周疲勞主要發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停機(jī)或者變負(fù)荷工況下，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷出現(xiàn)大幅升高或者降低，使得缸蓋的熱應(yīng)力發(fā)生較大變化。在這種劇烈的交變應(yīng)力作用下，缸蓋受熱區(qū)域產(chǎn)生微觀塑性變形，從而出現(xiàn)熱疲勞。這種疲勞應(yīng)力的變化幅度較大，缸蓋能承受的循環(huán)次數(shù)相對(duì)較少，因此屬于低周疲勞。低周疲勞一般可采用應(yīng)變疲勞理論進(jìn)行研究。

因?yàn)楦咨w具有復(fù)雜的熱-機(jī)械耦合疲勞問題，所以需要對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高，不利于進(jìn)行缸蓋疲勞耐久性設(shè)計(jì)與研究。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，越來越多的學(xué)者在相關(guān)疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上運(yùn)用CAE疲勞分析技術(shù)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命分析，具體的分析流程見圖1。該分析方法可以大大提高零件在疲勞耐久試驗(yàn)中的通過率，節(jié)省開發(fā)費(fèi)用和提高開發(fā)效率。

2 缸蓋材料疲勞試驗(yàn)

缸蓋材料疲勞試驗(yàn)主要包括單向拉伸試驗(yàn)、高周疲勞試驗(yàn)和低周疲勞試驗(yàn)。由于輕量化和節(jié)能減排等要求，缸蓋普遍采用鑄造鋁合金材料。

受試驗(yàn)設(shè)備的制約，常溫下對(duì)鋁合金的材料性能進(jìn)行研究較容易，高溫下的研究較少。但是，缸蓋工作時(shí)各區(qū)域的溫度跨度較大，比如水套側(cè)和進(jìn)氣側(cè)溫度相對(duì)較低，而燃燒室和排氣側(cè)溫度相對(duì)較高，因此在對(duì)缸蓋材料進(jìn)行研究時(shí)，考慮不同溫度下的材料特性才更有意義，所以有必要對(duì)鋁合金材料進(jìn)行高溫疲勞試驗(yàn)。高溫疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)和高溫爐見圖2。

2.1 不同溫度下的鋁合金單向拉伸試驗(yàn)

根據(jù)缸蓋實(shí)際工作時(shí)可能出現(xiàn)的溫度變化，選取幾個(gè)溫度對(duì)缸蓋鋁合金材料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)可以獲得不同溫度下缸蓋材料的基本力學(xué)性能指標(biāo)，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂延伸率和應(yīng)力-應(yīng)變曲線等，為后續(xù)運(yùn)用有限元模型進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析提供基本的材料參數(shù)。不同溫度下缸蓋材料的彈性模量見圖3。由此可以看出，隨著溫度的不斷升高，缸蓋鑄鋁材料的彈性模量呈下降趨勢(shì)。

2.2 不同溫度下的高周疲勞試驗(yàn)

高周疲勞試驗(yàn)可以獲得材料的疲勞極限和S-N曲線。疲勞試驗(yàn)需要大量費(fèi)用和時(shí)間，因此一般只做對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力（應(yīng)力比R=-1）下標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞曲線。應(yīng)力比R的定義為

式中：δ_min和δ_mix分別為應(yīng)力循環(huán)中的最小應(yīng)力和最大應(yīng)力。

在拉壓載荷（R=-1）作用下，對(duì)不同溫度的缸蓋材料進(jìn)行等溫高周疲勞試驗(yàn)，每組試件個(gè)數(shù)為18個(gè)。試驗(yàn)完成后，以應(yīng)力幅δ為縱坐標(biāo)、疲勞壽命N_f為橫坐標(biāo)，用最佳擬合法繪制該溫度下的S-N曲線并提取疲勞極限。該缸蓋材料在270℃下的S-N曲線見圖4。

2.3 不同溫度下的低周疲勞試驗(yàn)

低周疲勞又稱應(yīng)變疲勞，其基本的材料曲線是應(yīng)變-壽命曲線。常見的應(yīng)變-壽命數(shù)學(xué)表達(dá)方式是Manson-Coffin應(yīng)變-壽命方程，即

對(duì)不同溫度下的缸蓋材料進(jìn)行等溫低周疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用三角波進(jìn)行等幅應(yīng)變控制，每個(gè)溫度下至少進(jìn)行6根鑄鋁合金試樣測(cè)試。試驗(yàn)得到200℃下該缸蓋材料的低周疲勞應(yīng)變-壽命曲線，見圖5。

3 缸蓋金屬溫度場(chǎng)分析

3.1 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)金屬溫度場(chǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的高溫和爆發(fā)壓力是影響缸蓋疲勞的2個(gè)主要因素，準(zhǔn)確模擬缸蓋金屬溫度場(chǎng)是缸蓋疲勞分析的基礎(chǔ)。缸蓋金屬溫度場(chǎng)分析主要分為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和瞬態(tài)溫度場(chǎng)2種。

缸蓋穩(wěn)態(tài)金屬溫度場(chǎng)分析通常采用第三類邊界條件，見式（3）。將近壁面流體的溫度和對(duì)流換熱系數(shù)作為熱邊界施加給缸蓋，以此計(jì)算金屬溫度場(chǎng)。

3.2熱邊界條件

缸蓋金屬溫度場(chǎng)分析的熱邊界條件主要包括油側(cè)、水側(cè)和氣側(cè)等3種。油側(cè)熱邊界條件主要是發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)油接觸面的換熱，通常采用經(jīng)驗(yàn)值模擬。機(jī)油溫度取許用的最高溫度140℃，換熱系數(shù)取130W/（m²·K）。

水側(cè)熱邊界條件主要是缸蓋機(jī)體水套的換熱，采用STAR-CCM+軟件計(jì)算獲得，包括冷卻水溫度和換熱系數(shù)。某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套熱邊界條件映射結(jié)果見圖6。

氣側(cè)熱邊界條件主要包括燃燒室、排氣道和空氣側(cè)的熱邊界條件。燃燒室的熱邊界由發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流體力學(xué)專業(yè)軟件CONVERGE分析完成，排氣道熱邊界由STAR-CCM+軟件計(jì)算獲得?？諝鈧?cè)的熱邊界一般取經(jīng)驗(yàn)值，空氣溫度取75℃，換熱系數(shù)取50W/（m²·K）。

3.3 缸蓋金屬溫度場(chǎng)分析結(jié)果

金屬溫度場(chǎng)分析完成后，查看各零部件的溫度，重點(diǎn)查看缸蓋火焰面、排氣道和水套等區(qū)域的溫度分布，對(duì)溫度較高的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。某發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋額定功率點(diǎn)工況水套的溫度分布見圖7。

完成瞬態(tài)金屬溫度場(chǎng)分析后，查看缸蓋火焰面溫度隨時(shí)間變化情況，見圖8。在開發(fā)后期進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)金屬溫度場(chǎng)試驗(yàn)，并將測(cè)試值與CAE仿真值進(jìn)行對(duì)比，誤差應(yīng)當(dāng)在10%以內(nèi)。

4 缸蓋高周疲勞分析

溫度場(chǎng)分析完成后，進(jìn)行缸蓋高周疲勞分析。在疲勞分析前需要先進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，以獲取缸蓋工作時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變。在靜強(qiáng)度分析時(shí)，輸入的材料參數(shù)應(yīng)該隨溫度變化，參考前文試驗(yàn)獲得的不同溫度下的彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。

缸蓋高周疲勞分析時(shí)的主要載荷包括螺栓預(yù)緊力、導(dǎo)管過盈量、座圈過盈量、溫度載荷和缸內(nèi)爆發(fā)壓力等，分析采用的具體輸入?yún)?shù)見表1。具體的分析工況主要考慮裝配和額定功率點(diǎn)四缸輪流點(diǎn)火。

在缸蓋應(yīng)力-應(yīng)變分析完成后，將分析結(jié)果導(dǎo)人專業(yè)的疲勞分析商業(yè)軟件FEMFAT中，進(jìn)行后續(xù)的高周疲勞分析。在各工況下，缸蓋水套上某點(diǎn)的應(yīng)力變化見圖9。根據(jù)上述工作循環(huán)的應(yīng)力變化，計(jì)算缸蓋的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅。

除上述分析結(jié)果外，缸蓋高周疲勞分析時(shí)還需要輸入不同溫度下缸蓋材料的疲勞強(qiáng)度（包括拉伸、壓縮、彎曲和剪切等狀態(tài)）和S-N曲線，并綜合考慮溫度、表面粗糙度和存活率等計(jì)算因素。在分析完成后查看缸蓋各區(qū)域的疲勞安全系數(shù)，分析結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。某缸蓋高周疲勞安全系數(shù)分析結(jié)果見圖10。

5 缸蓋低周疲勞分析

缸蓋低周疲勞主要是模擬冷熱沖擊工況，一般參考發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊循環(huán)工況進(jìn)行計(jì)算設(shè)置，主要以溫度為變量，重點(diǎn)分析缸蓋火焰面、排氣道及其附近的水套的疲勞壽命。

先進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力-應(yīng)變分析，瞬態(tài)分析工況示意見圖11。瞬態(tài)分析工況主要包括5個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)大致包括升溫、高溫保持、降溫和低溫保持4個(gè)階段，高溫和低溫工況一般分別選取額定功率點(diǎn)和怠速工況。

應(yīng)力-應(yīng)變分析完成后，將最后一個(gè)穩(wěn)定循環(huán)的分析結(jié)果導(dǎo)人疲勞分析軟件中，進(jìn)行缸蓋低周疲勞壽命評(píng)估。同時(shí)，在缸蓋材料模塊中輸入不同溫度下低周疲勞的各項(xiàng)參數(shù)。低周疲勞分析結(jié)果一般用循環(huán)壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。某缸蓋火焰面低周疲勞分析計(jì)算結(jié)果（取對(duì)數(shù)值）見圖12。

缸蓋火焰面各區(qū)域的疲勞壽命滿足分析要求，火花塞孔、噴油器孔和進(jìn)排氣鼻梁區(qū)附近的疲勞壽命相對(duì)較低。該缸蓋能順利通過后期各項(xiàng)開發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)完成后的缸蓋火焰面見圖13。

6 結(jié)束語

對(duì)不同溫度下缸蓋材料的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)，了解缸蓋疲勞破壞機(jī)理，獲取大量的實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立缸蓋疲勞的材料數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合疲勞分析理論，通過CAE疲勞分析方法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)缸蓋疲勞壽命的薄弱之處，指導(dǎo)缸蓋正向開發(fā)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文方法已應(yīng)用于多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋項(xiàng)目開發(fā)并成功解決工程問題。