某柴油發(fā)動機缸蓋熱機疲勞分析

劉振興 ， 項盼盼 ， 魏 濤 ， 袁曉軍 ， 曾小春

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

發(fā)動機冷機點火啟動，缸蓋、活塞、排氣歧管等零件受熱溫度持續(xù)上升，而后在發(fā)動機啟動——怠速——功率點——怠速——熄火——啟動等一系列操作時，缸蓋、活塞、排氣歧管等零件承受冷熱載荷交互作用，且零件在高溫工作時容易產(chǎn)生蠕變效應，導致零件極易發(fā)生低周熱機疲勞損傷，出現(xiàn)低周疲勞失效，熱機疲勞評估與控制是目前行業(yè)開發(fā)過程中的熱點與難點。基于此，研究受熱零部件熱機疲勞壽命分析方法，在開發(fā)前期預測零部件的疲勞損傷及低周疲勞壽命，必要時進行設(shè)計優(yōu)化，控制熱機疲勞損傷及低周疲勞壽命，是十分重要且有意義的工作[1-3]。

缸蓋是發(fā)動機中結(jié)構(gòu)最復雜、機械載荷和熱負荷最高的零件之一，且多為鑄鋁件，而鑄鋁材料在高于100 ℃后會發(fā)生蠕變，極易發(fā)生熱機疲勞損傷[4]。因此，本研究以發(fā)動機缸蓋為例，詳細闡述高溫零部件的低周熱機疲勞分析方法，綜合采用了CFD（Computational Fluid Dynamics） - FEA（finite element analysis）耦合技術(shù)，通過Abaqus軟件對發(fā)動機在怠速點、額定點的溫度及應力進行分析，再基于FEMFAT中的Sehitoglu模型，實現(xiàn)分析預測高、低溫熱循環(huán)應力作用下的熱機疲勞壽命情況，該熱機疲勞分析基于應變-循環(huán)（E-N）準則，綜合考慮了機械損傷、氧化損傷和蠕變損傷。

1 熱機疲勞分析技術(shù)路線

熱機疲勞評估技術(shù)主要包括整機熱力學分析、缸內(nèi)燃燒分析、水套流動分析、溫度場分析、穩(wěn)態(tài)應力場分析、子模型邊界提取、瞬態(tài)應力場分析、熱機疲勞分析。首先由整機熱力學仿真計算得到發(fā)動機在怠速、額定功率負荷下進排氣道的瞬態(tài)燃氣溫度、質(zhì)量流量，以及燃燒室噴油量，為3D燃燒模型提供所需的進排氣流量、溫度與噴油量邊界條件。然后通過AVL-FIRE軟件分別計算缸內(nèi)燃燒和缸體缸蓋水套CFD分析。將3D-CFD計算獲取的近壁面燃氣、水側(cè)溫度和換熱系數(shù)映射到氣缸蓋有限元分析邊界，通過Abaqus軟件對氣缸蓋進行溫度場、應力場分析。最后在FEMFAT軟件中的HEAT Sehitoglu模塊進行熱機疲勞壽命預測及損傷預測。

2 分析模型及邊界載荷

2.1 有限元模型

穩(wěn)態(tài)應力場分析全局模型主要包括缸蓋、缸體、氣缸墊、氣門座圈、氣門導管、缸蓋螺栓等，穩(wěn)態(tài)應力場分析全局模型如圖1所示。瞬態(tài)應力場分析子模型選取缸蓋火力面及氣門座圈， 瞬態(tài)應力場分析子模型如圖2所示，應力場分析網(wǎng)格類型采用二階四面體C3D10M網(wǎng)格。

圖1 穩(wěn)態(tài)應力場分析全局模型

圖2 瞬態(tài)應力場分析子模型

2.2 穩(wěn)態(tài)應力場分析

缸體缸蓋穩(wěn)態(tài)應力場分析主要包括額定點和怠速點兩個工況。首先通過CFD溫度場邊界分析得到額定點及怠速點的缸體缸蓋溫度場分布結(jié)果。額定點火力面溫度分布如圖3所示，怠速點火力面溫度分布如圖4所示。然后將溫度場分析結(jié)果作為邊界，同時加載螺栓預緊力、過盈量等裝配載荷，分析得到裝配工況、額定工況、怠速工況下的應力分布，額定點工況下缸蓋火力面應力分布如圖5所示。

圖3 額定點火力面溫度分布

圖4 怠速點火力面溫度分布

圖5 額定點缸蓋火力面應力分布

2.3 子模型瞬態(tài)熱應力分析

瞬態(tài)熱應力分析加載工況點示意圖如圖6所示。通過穩(wěn)態(tài)應力場分析，得到了裝配力、額定點熱應力及怠速點熱應力結(jié)果，即圖6中的P、P5及P9工況點，要獲得瞬態(tài)應力分析的其他工況，需通過公式（1）、（2）計算獲得P1~P4及P6~P8點。

圖6 瞬態(tài)熱應力分析加載工況點示意圖

式中：T(i)代表子模型的溫度邊界，U(i)代表子模型位移邊界，K(i)表示溫度和位移系數(shù)。

子模型的瞬態(tài)分析步時間歷程按照缸蓋低周疲勞耐久循環(huán)規(guī)范的時間進行設(shè)置，提交計算即可獲得瞬態(tài)應力場結(jié)果。

2.4 熱機疲勞分析

缸蓋熱機疲勞計算以子模型瞬態(tài)應力結(jié)果為基礎(chǔ)，綜合考慮缸蓋材料蠕變、氧化和機械性能，采用FEMFAT軟件的HEAT Sehitoglu模塊進行熱機疲勞壽命預測。具體流程如下：把瞬態(tài)應力分析的結(jié)果odb文件導入FEMFAT后，按熱機疲勞分析工況進行設(shè)置，同時導入缸蓋熱機疲勞材料參數(shù)文件，設(shè)置考慮機械損傷、氧化損傷及蠕變損傷，便可獲得缸蓋損傷分布及熱機疲勞壽命情況。

3 分析結(jié)果評估

缸蓋火力面低周疲勞壽命分布結(jié)果如圖7所示，其中疲勞循環(huán)次數(shù)最低為5 038次，位于第三缸火力面排氣座圈附近，高于輕卡的壽命評價標準5 000次，滿足低周疲勞強度設(shè)計要求。

圖7 低周疲勞壽命分布

缸蓋火力面低周疲勞總損傷分布結(jié)果如圖8所示，第三缸火力面低周疲勞各項損傷如圖9所示。其中圖9（a）為機械損傷，圖9（b）為氧化損傷，圖9（c）為蠕變損傷，從分布占比可知，缸蓋低周熱機疲勞占主導的是氧化損傷，其次是機械損傷。

圖8 低周疲勞總損傷分布

圖9 第三缸火力面低周疲勞各項損傷

4 結(jié)論

本研究闡述了缸蓋熱機疲勞分析流程，分析了綜合考慮缸內(nèi)燃燒熱邊界、缸內(nèi)水套冷邊界、機械應力、高低溫度交變等影響，采用基于應變-循環(huán)（E-N）準則的Sehitoglu模型，綜合考慮機械損傷、氧化損傷和蠕變損傷，通過三大損傷實現(xiàn)了對總損傷及低周熱機疲勞循環(huán)壽命的預測。采用該分析方法可以有效評估缸蓋、排氣歧管、活塞等高溫零件低周疲勞性能，預測其低周疲勞壽命。