不同循環工況對發動機缸蓋低周疲勞壽命的影響

路明，舒煒，郭小鳳，李云濤

1.寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司，浙江寧波 315336；2.重慶中煙工業有限責任公司，重慶 400060

0 引言

發動機氣缸蓋所受的載荷非常復雜。發動機臺架試驗表明，交變類的耐久試驗比恒定工況的耐久試驗更容易導致缸蓋開裂，這是由于溫度的周期變化導致結構產生了較大的熱應力，并且往往使缸蓋局部超過了屈服強度，發生了塑性變形，出現了低周疲勞開裂問題。低周裂紋出現的區域較小，只在一些塑性變形較大的位置出現，一般很難被發現。

在交變耐久臺架試驗中，循環工況的設置各不相同，為了研究各種循環工況對疲勞壽命的影響，本文利用有限元分析法，基于局部應力應變法，分析一個循環內的相同溫差下不同溫度變化速率對疲勞壽命的影響，旨在為臺架試驗工況的選取提供參考。

1 瞬態溫度場分析

發動機缸蓋主要與高溫氣體、冷卻液以及潤滑油存在換熱，傳熱分析有限元模型如圖1所示，其部件主要包括缸體、缸蓋和氣門等。在進行流固耦合傳熱分析時，固體側與流體側遵循能量守恒定律，綜合Foutier導熱方程和流體對流換熱控制方程[1]，可得：

圖1 傳熱分析有限元模型

式中，Kcond為固體導熱系數，hconv為近壁面對流換熱系數，Tf為近壁面流體溫度，Tw為固體壁面溫度。

對于流體側，k-ε采用湍流模型進行換熱邊界計算，其湍動能方程為[2]：

式中，ρ為流體密度；k為湍動能；μ為流體動力學黏度；μt為湍流動力黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍動能項；Gb為由浮力產生的湍動能項；ε為湍動能耗散率；σb為湍流普朗特數。

瞬態溫度場分析需要根據循環工況實際控制參數進行邊界條件狀態的選取，本文研究兩種循環工況對溫度場的影響，參數控制方式如圖2所示。影響溫度場結果的參數主要為發動機轉速和出水口溫度，兩種工況的發動機轉速控制相同，一個循環包括360 s，在15 s內發動機轉速由怠速拉升到額定點，并保持到180 s，然后在15 s內下降到怠速，再保持到循環結束。兩種工況一個循環內出水口溫度溫差相同，最低溫度為30 ℃，最高溫度為110 ℃，主要區別在于工況1水溫變化更明顯，而工況2的水溫控制更平穩，特別在上升段，水溫在180 s的時間內緩慢地升到110 ℃。根據不同工況的控制情況，計算得到缸蓋的瞬態溫度場[3-5]。

圖2 不同工況下的參數控制方式

2 溫度結果對比

低周疲勞主要是由溫度的高低變化使結構產生較大的塑性變形所致，應力分析依據瞬態溫度場的結果，主要考慮溫度的變化，本文不考慮缸內燃氣壓力變化的影響。在燃燒室部位選取兩個特征點N147320和N143566（圖3），兩個節點的溫度歷程分別如圖4和圖5所示，可以看出，工況1的溫度迅速升到最高并保持，降溫的過程也比較劇烈，而工況2升溫和降溫段比較緩和，工況2的最高溫度和最低溫度都要比工況1大一些。其中，工況1兩節點最高溫度為173℃和188℃，最低溫度為50℃和63℃，溫差分別為123℃和125℃；工況2兩節點最高溫度為184℃和205℃，最低溫度為53℃和69℃，溫差分別為131℃和136℃。兩種工況溫差幾乎一致。

圖3 燃燒室部位關注節點

圖4 節點N147320溫度歷程

圖5 節點N143566溫度歷程

在排氣部位取一個特性點N126946（圖6），溫度歷程如圖7所示，工況1、工況2最高最低溫度均相差不多，最高溫度在149℃，但工況1的高溫區更長一些。

圖6 排氣部位所取節點

圖7 節點N126946溫度歷程

3 應力應變及疲勞壽命結果對比

節點N143566在工況1、工況2下的應力歷程分別如圖8和圖9所示，兩種工況應力趨勢相同，在前半個循環壓應力占主導，最大主應力幾乎為零，在溫度上升時最小主應力達到最大，隨后下降；在后半個循環主要受到拉應力，最小主應力為零。工況1最小主應力在下降段變化更加劇烈，在后半循環工況1最大主應力達到了157 MPa，工況2最高為74 MPa，工況1拉應力較工況2大了1倍。

圖8 節點N143566在工況1下的應力歷程

圖9 節點N143566在工況2下的應力歷程

節點N126946在工況1、工況2下的應力歷程分別如圖10和圖11所示，應力趨勢與燃燒室的位置一樣，壓應力的最大值幾乎一樣，工況1下降得更加明顯，而拉應力則區別較大，工況1的最大拉應力達到了331 MPa，而工況2最大為69 MPa，工況1較工況2大了將近5倍，而拉應力對于材料的疲勞是非常不利的。

圖10 節點N126946在工況1的應力歷程

圖11 節點N126946在工況2的應力歷程

兩節點各項數據對比見表1?？梢钥闯觯傮w上兩點的最高溫度和壓應力差別不大，而工況1的拉應力比工況2增加明顯，燃燒室位置增加了1倍，排氣位置增加了將近4倍，塑性應變增加了7倍，最終燃燒室位置壽命由10364次增加到54806次，排氣位置壽命則由944次提升到35724次，增加明顯。

4 結論

（1）工況2在燃燒室位置的最高溫度比工況1高一些，但整個循環下的溫差幾乎一致，而排氣部位最高溫度和溫差在兩種工況下均相差不多，區別在于整個循環下工況2溫度的變化更緩和一些，最高溫度持續的時間較工況1短。

（2）兩種工況應力變化的趨勢相同，工況2在壓應力下降的階段比較緩和，且沒有工況1下降得多，在拉應力階段工況1增加得明顯，最大達到了工況2的4倍。

（3）工況1排氣位置的塑性應變是工況2的7倍，這也是工況2壽命提升明顯的主要原因，工況2在兩個位置的壽命分別提升了5.3倍和37.8倍，增加非常明顯。

可以看出，溫度變化比較緩和的工況對整體結構的耐久性能改善明顯。