基于多場耦合的大缸徑氣缸蓋的熱機疲勞壽命預測仿真研究

摘 要： 缸內燃燒溫度和冷卻液流速的變化是影響氣缸蓋火力面疲勞裂紋、疲勞斷裂等主要因素.采用多場耦合方法對SCE450型中速柴油機大缸徑氣缸蓋的熱機疲勞壽命進行了預測分析，并分析了缸內燃燒溫度和冷卻液流速對整體疲勞壽命的影響規律.采用缸內燃燒和水套冷卻模擬分析方法為缸蓋溫度場的分析提供熱分析邊界條件，基于熱-流-固耦合有限元方法計算了柴油機服役工況下氣缸蓋溫度和應力應變變化趨勢，并考慮溫度對材料性能的影響，對氣缸蓋熱機疲勞損傷和壽命進行了預測.研究結果表明：排氣口附近出現最大的熱應力為463.49 MPa，氣缸蓋火力面同側的螺孔口附近的等效機械應力值最大，達到了269.15 MPa.疲勞壽命較低的區域主要分布在火力面的鼻梁區與啟動閥處，最低壽命為24 040次，缸內燃燒溫度對整個氣缸蓋的疲勞壽命影響較大，但盲目提高冷卻液的流速并不能提高氣缸蓋的疲勞壽命，因較大冷卻液流速可能增大某些區域的溫度差進而減少使用壽命，經過分析氣缸蓋560 ℃時，冷卻液流速在3.0～5.0 m/s之間的疲勞壽命，得到冷卻液流速在3.6 m/s時的疲勞壽命相對較長.

關鍵詞： 大缸徑氣缸蓋；熱機耦合；有限元；疲勞壽命

中圖分類號：U664.1；TK422 文獻標志碼：A 文章編號：1673-4807（2025）01-023-08

Thermal coupling fatigue life prediction of large diameter cylinderheads based on a multi-field coupling method

ZHANG Hao LIU Yong LI Guochao ZHOU Honggen JIANG Jingming LU Chengxiang

（1.School of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

（2.Anqing Cssc Diesel Engine Co. Ltd.， Anqing 246000， China）

Abstract：Variations in combustion temperature and coolant flow rate significantly affect fatigue crack initiation and fatigue fracture of cylinder heads. A predictive analysis of the thermalmechanical fatigue life of the SCE450type mediumspeed diesel engine′s large diameter cylinder head is presented using a multifield coupling method in this study. The influence of combustion temperature and coolant flow rate on the overall fatigue life is analyzed. A simulation analysis method for combustion chamber and water jacket cooling is employed to provide thermal analysis boundary conditions for cylinder head temperature field analysis. Based on the thermalflowsolid coupling finite element method， temperature and stressstrain variations of the cylinder head under service conditions are calculated. Considering the effect of temperature on material properties， thermalmechanical fatigue damage and life prediction of the cylinder head are conducted in the end. The research findings reveal that the highest thermal stress occurs near the exhaust port， reaching 463.49 MPa， and the maximum equivalent mechanical stress near the threaded hole on the same side of the cylinder head fire surface reaches 269.15 MPa. Regions with lower fatigue life are mainly distributed in the nose beam area and starting valve of the fire surface， with the lowest life being only 24 040 cycles. [JP2]The combustion temperature significantly influences the fatigue life of the entire cylinder head. However， blindly increasing the coolant flow rate does not improve the fatigue life of the cylinder head. Higher coolant flow rates may increase temperature differences in certain areas， thereby reducing the overall service life. After analyzing the fatigue life of the coolant flow rate between 3.0 and 5.0 m/s at 560 ℃ in the cylinder head， it is obtained that the fatigue life of the coolant flow rate at 3.6 m/s is relatively long.

Key words：large diameter cylinder head， thermalmechanical coupling， finite element， fatigue life

隨著柴油機功率密度持續提高，柴油機不僅承受著螺栓預緊力和熱應力等靜力作用，同時還會受到爆壓的周期性動載作用，在高溫高應力并隨著循環載荷的情況下，增加了氣缸蓋在機械負載和熱負荷方面的挑戰[1].氣缸蓋作為內燃發動機結構的關鍵組成部分，與活塞頂部及氣缸內壁共同組成燃燒空間.當柴油機工作時，冷卻液從氣缸蓋帶走一部分熱量，熱流量大，氣缸蓋內部存在較高的溫度梯度，氣缸蓋內部會產生較大的熱應變，燃燒產生的高壓氣體也直接作用在氣缸蓋上，產生高機械負荷.同時，由于氣缸蓋承受著螺栓預緊力、燃氣爆發壓力和熱應力的共同作用，受力不均勻，容易產生應力集中現象，嚴重時甚至會出現裂紋、疲勞斷裂等失效形式.

大缸徑柴油機因其具有功率密度大、燃燒效率高、工作穩定可靠等特點，已成為現代船舶的主要動力來源[2].由于采用了大缸徑氣缸蓋，在工作周期中氣缸蓋需要承受著高溫、交變載荷、溫度差及各種機械應力的作用，這些因素的共同作用是導致氣缸蓋疲勞損傷的主要原因.因此，對柴油機氣缸蓋進行熱機疲勞分析可以為柴油機氣缸蓋設計改進提供參考，進一步提高運行可靠性和壽命[3].

目前，采用熱循環加速試驗和疲勞壽命評價方法作為獲取氣缸蓋最為直接的方法，但長時間的準備周期及高昂的實驗成本，促使日益成熟的有限元仿真分析技術因其具有經濟高效的特性而成為高校學者和企業工程師的首選工具[4].例如，文獻[5]研究了柴油機鼻梁區的重要結構參數對鼻梁區疲勞壽命的影響，并采用有限元方法分析了各參數對整個部件疲勞壽命的影響.文獻[6]關注了氣缸蓋在熱固耦合條件下的強度和疲勞壽命，采用有限元方法預測了某型氣缸蓋的疲勞壽命，并指出了氣缸蓋疲勞壽命最薄弱的區域.文獻[7]基于Sehitoglu理論的方法，結合有限元分析深入研究某小型強化汽油機缸蓋的熱機疲勞問題.此外，文獻[8]應用局部應力應變方法結合有限元分析技術，預測了柴油機鑄鋁氣缸蓋的熱機疲勞壽命.文獻[9]研究柴油機缸蓋在不同溫度下熱機械疲勞和低周疲勞載荷下的熱處理效果，發現熱處理工藝可以較好的提高氣缸蓋的低周疲勞強度.文獻[10]使用計算機對氣缸蓋及其冷卻水道進行建模并用有限元進行仿真分析，發現在閥座和閥橋處出現最大應力，并通過與柴油機的計算結果進行對比，做出了改進方案，提高了安全系數.文獻[11]采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）方法預測出柴油機氣缸蓋的疲勞強度，先獲取冷卻系統對發動機熱力學行為的影響，然后用有限元法計算缸蓋的疲勞強度，預測發動機的故障軌跡.

大量學者針對氣缸蓋均取得了豐碩的成果，也提出了較為準確的氣缸蓋疲勞壽命預測方法，并采用數值模擬方法進行了準確預測分析，但目前大多數研究都主要針對小缸徑、高速和低功率的氣缸蓋，在研究方法上仍然使用傳統的單一場變量的有限元分析方法，仿真分析時僅考慮單一工況，因此亟需開發一種考慮熱-流-固耦合的有限元分析方法，以更準確地預測大缸徑、高功率的氣缸蓋熱機疲勞壽命.

文中以新型SCE450的大缸徑中速柴油機為研究對象，較大的柴油機缸徑造就了大面積的火力面，大面積的火力面可以增加受力面積，減小壓力提高強度，與此同時，火力面側的冷卻水道結構也較大，冷卻液的流速較快，可以快速的帶走熱量降低溫度提高使用壽命.首先，采用流-固耦合方法對水套流場和整機溫度場進行詳盡分析，并將仿真得出的邊界條件映射到氣缸蓋表面，計算出單缸柴油機整體的溫度場.然后，采用有限元方法對氣缸蓋在熱-機械載荷下的耦合應力結構強度進行深入研究，得出氣缸蓋的總體應力和位移邊界.這些參數被用作邊界條件，推動子模型進行計算，進而獲取柴油機冷熱交替熱沖擊試驗工況下氣缸蓋的應力應變歷程.最后，通過采用熱機耦合疲勞壽命預測方法，對氣缸蓋的熱機疲勞損傷和壽命進行預測，并分析缸內燃燒溫度和冷卻液流速對整體疲勞壽命的變化趨勢.

1 SCE450氣缸蓋疲勞分析

傳統的柴油機氣缸蓋疲勞損傷檢測方法有著操作繁瑣、檢測精度較低、難以覆蓋全面等問題[12]，為了克服這些缺點，采用熱-流-固耦合有限元分析，以SCE450船用中速柴油機大缸徑氣缸蓋為研究對象，對其關鍵區域產生的熱機耦合疲勞損傷進行分析.其中柴油機氣缸蓋的長、寬、高分別為864、760、560 mm，其柴油機的氣缸蓋關鍵內徑結構尺寸為450 mm，氣缸蓋四周有著4個直徑為76 mm的螺栓孔，其進、排氣管道同側，且上、下冷卻水道分離.氣缸蓋使用QT400-15材料經過澆鑄、鏜、車及銑十幾道加工過程，獲得柴油機大缸徑氣缸蓋實物，如圖1.

由于流-固耦合的柴油機氣缸蓋熱機疲勞分析非常復雜，需要考慮眾多影響因素.如隨流體流動時的溫度變化、復雜溫度場引起的熱應力分布、多應力場的共同作用及高溫下氣缸蓋材料的蠕變和氧化等.基于以上原因，針對氣缸蓋熱機耦合疲勞分析總流程如圖2，針對熱機耦合疲勞預測分析中主要涉及流體力學理論、熱傳遞理論、熱應力理論及疲勞分析理論.

首先，構建柴油機氣缸蓋的三維模型，采用Ansys Fluent模塊對氣缸蓋進行流體的填充，通過CFD分析出氣缸蓋溫度邊界條件；然后，將計算出的邊界條件映射到氣缸蓋模型中，使用Ansys Steady-state Thermal模塊計算出整個氣缸蓋在工作時的溫度場，將氣缸蓋溫度場分布情況導入到Ansys Static Structure模塊中得到氣缸蓋的熱應力分布，對氣缸蓋的螺栓施加螺栓預緊力并對火力面施加工作時的爆發壓力得到機械應力；最后，基于Ansys NcodeDesignlife實現了缸蓋組件的熱機耦合疲勞壽命的預測.獲得的疲勞分析結果可以預測氣缸蓋在高強度工作環境情況下的使用壽命，有助于對易出現疲勞損傷的區域進行改進.

2 SCE450氣缸蓋溫度場分析

2.1 熱邊界條件的確定

氣缸蓋熱機耦合疲勞分析預測中熱邊界條件采用Ansys Fluent模塊模擬仿真獲取.氣缸蓋中的湍流模型使用k－ε模型，并利用傅里葉熱傳導方程和流體的對流換熱控制方程來計算不同介質間的能量交換.

首先，在仿真分析中對氣缸蓋內冷卻液流動模型及氣體流動模型進行填充，如圖3；然后，通過CFD分析出氣缸蓋模型的溫度場分布；最后，將CFD分析出的溫度邊界條件映射到氣缸蓋疲勞分析模型中.

仿真分析中氣缸蓋內的流體使用式（1）及式（2）湍流模型模擬出氣缸蓋內流體非穩態、帶旋轉的不規則流動，分析中流體的速度及溫度都隨著時間及空間發生著隨機變化，流體分析采用標準k－ε湍流模型[12]，包括湍流動能方程k，和擴散方程ε為：

在整個工作周期中，經過氣體的循環流動及缸內高溫燃氣的影響，使得氣缸蓋排氣道的溫度高于進氣道，并在火力面噴油嘴處出現最高溫度6564 K，仍然在材料適用范圍（714 K）內.

在整個工作循環中，冷卻水道對整個柴油機氣缸蓋的熱量吸收起著重要作用.在三維的CFD分析中，將上、下冷卻水道設置初始入口的流速4.3 m/s與溫度78 ℃，模擬真實的循環冷卻，其中冷卻液吸收著氣缸蓋工作時火力面及排氣管道產生的高溫.經過計算，得到了冷卻水道與氣缸蓋接觸表面的溫度如圖4（b）和（c），上冷卻水道最高溫度為430.7 K，下冷卻水道最高溫度為513.9 K.

2.2 氣缸蓋整體結構溫度場計算分析

根據以上設置，分析得到氣缸蓋的溫度場如圖6（a），從圖中可以看出：氣缸蓋整體的溫度范圍為321.95～672.62 K，并在火力面的噴油嘴處出現最大值為672.62 K.在排氣道及其附近的火力面處為缸蓋的高溫區，該區域的溫度明顯高于氣缸蓋的其他位置.原因是由于高溫燃氣需要從排氣管道排出，而排氣道在受到高溫排氣的傳熱作用后，使得排氣道區域的溫度高于其它區域，且貼近排氣管道處的火力面溫度又高于進氣管道處的火力面溫度，這是由于進氣道流入的氣體溫度較低且流速較快，反而對進氣管道及其附近區域有冷卻作用，所以使得其溫度相對較低.

根據圖6（a）云圖分析結果可知，柴油機氣缸蓋火力面處是受高溫及熱應力影響最大的區域，也是形成熱疲勞失效損傷的主要部位，所以火力面處的熱疲勞壽命也決定著整個柴油機氣缸蓋的疲勞壽命.因此，文中選取了位于進氣門鼻梁區和排氣門鼻梁區處為重點考察區域，開展氣缸蓋熱強度相關的研究.氣缸蓋構件中不均勻的溫度分布會產生一定的溫度梯度，進而產生熱應力和應變.為了更加詳細的分析氣缸蓋火力面的溫度分布情況，針對火力面鼻梁區設置了28個參考點，如圖6（b），以噴油嘴開孔處為原點，以x軸分開進、排氣口，沿y軸負方向為2個進氣口，沿y軸正方向為2個排氣口，沿著2個坐標軸的位置平均取14個點，每個點的間距約為34 mm，均勻地顯示氣缸蓋火力面處的溫度變化趨勢，其溫度沿2個軸的變化如圖6（c），沿x軸方向溫度差較小，溫度區間主要處于450～500 K之間，最大兩點之間的溫度差為43 ℃；沿y軸的溫度差較大，溫度區間主要處于325～625 K之間，最大兩點之間的溫度差為193 ℃，較大的溫度差也是形成熱疲勞失效損傷的主要因素.

2.3 缸內燃燒溫度和冷卻液流速對氣缸蓋溫度影響

為了探究不同工作參數對氣缸蓋溫度的影響，文中采用兩因素三水平的正交試驗設計，通過改變氣缸蓋缸內燃燒溫度及冷卻液入口的流速分析氣缸蓋溫度變化，根據QT400-15材料的使用范圍為714 K，在燃燒溫度為560 ℃時，得到的氣缸蓋最高溫度場為672.62 K，這里參照材料極限溫度分別設置了500、560和620 ℃的作為初始燃燒溫度.同時，根據中速船用柴油機冷卻水道常見的流速范圍3.6～50 m/s，分別設置了3.6、4.3和5.0 m/s作為柴油機冷卻液的流速，整個分析中的參數設計如表1.

根據工作參數的變化，得到了各參數條件變化下柴油機氣缸蓋的溫度分布和溫度隨流速變化趨勢，如圖7.

從溫度與冷卻液流速2個參數的變化分析得出：在燃燒室的溫度不變，只改變冷卻液流速的條件下，當流速較快時，柴油機的最高點溫度變化較小，主要原因是由于噴油孔附近的冷卻水道較為狹小復雜，入口處冷卻液的流速增加對該區域冷卻液的流速影響較小，所以在噴油口附近出現的最高溫度受冷卻液流速變化的影響較小.然后，在冷卻液流速不變，只改變燃燒室溫度的情況下，隨著燃燒溫度的升高氣缸蓋的最高溫度也呈現明顯的上升趨勢，且高溫燃氣與氣缸蓋的最高溫度呈現一種正比例增長，也同時從側面反應了冷卻水道能帶走的熱量幾乎是恒定的.

3 SCE450氣缸蓋的應力場分析

3.1 載荷及工況的分析與設定

在柴油機實際工作時，氣缸蓋所承受的載荷有螺栓預緊力、缸內爆發壓力及高溫引起的熱應力，復雜的工況共同作用，影響著氣缸蓋關鍵結構的熱機疲勞壽命.其中將溫度計算結果施加到裝配中的氣缸蓋模型上，根據溫度差分析出氣缸蓋表面的熱應力；然后將氣缸蓋工作時測得的爆發壓力施加到氣缸蓋的火力面上；氣缸蓋與整個柴油機機體主要通過螺栓固定，其螺栓預緊力為：

其中螺栓預緊力貫穿整個計算過程.在第一個分析步中施加起始的螺栓預緊力及燃燒壓力.第二個分析步中螺栓預緊力及燃燒壓力達到峰值；第三個分析步中施加最大螺栓預緊力及熱負載荷，根據熱負載荷進而得到氣缸蓋表面的熱應力，

3.2 氣缸蓋整體結構多應力分析結果

在固定約束下計算缸蓋的熱應力結果分布如圖9，可以看出：主要的熱應力集中在的火力面鼻梁區及噴油孔處，主要原因是柴油機工作時高溫主要集中于排氣口及噴油孔附近，且在鼻梁處的結構較為薄弱，更加容易產生形變及應力集中.其中在火力面啟動閥位置附近出現最大的熱應力463.49 MPa，如圖9（b）中標注.

在固定約束工況下缸蓋的機械應力分布如圖10，根據分析結果可知，氣缸蓋的機械應力的最大值出現在與螺栓接觸的螺孔口附近，其值為26915 MPa.[JP2]這是由于缸蓋在工作時由螺栓及螺母起到固定支撐的作用，而缸內高壓的工作環境將缸蓋往上不斷沖頂，使得缸蓋與螺母及螺栓之間不斷的擠壓，在圓角這種薄弱的區域產生較大的應力集中.

3.3 缸內燃燒溫度和冷卻液流速對氣缸蓋熱應力影響

通過改變柴油機缸內燃燒溫度及冷卻液入口的流速分析得到氣缸蓋溫度，根據氣缸蓋溫度場分析結果得到各參數對氣缸蓋熱應力的影響，關鍵參數條件下氣缸蓋熱應力場分布如圖11.

在燃燒溫度不變，只改變冷卻液流速的條件下，流速越快氣缸蓋溫度有著較小的下降趨勢，在500 ℃、4.3 m/s條件下氣缸蓋的溫度處于一個居中的溫度大小，但是此時的殘余應力卻為最大值，導致其的主要原因可能是不合宜的冷卻液流速可能增大某些區域的溫度差進而增大了熱應力的大小；在冷卻液流速不變，只改變燃燒溫度的條件下，氣缸蓋的溫度差較為穩定，此時溫度的大小將是引起熱應力的主要因素，氣缸蓋溫度越高產生的熱應力越大.

4 SCE450氣缸蓋熱機疲勞損傷和壽命分析

4.1 氣缸蓋整體結構熱機疲勞壽命預測

熱機耦合疲勞分析前需獲取材料在不同溫度下的材料屬性，通過蠕墨鑄鐵材料高溫拉伸性能試驗研究[15]獲取了QT400-15鑄鐵材料在不同溫度下的拉伸性能，其完整的實驗數據采用兩頭粗中間細的標準骨棒試樣獲取.采用Zwick拉伸試驗機對與缸蓋材料一致的樣件進行熱機疲勞試驗，其中使用箱式電阻爐控溫的方式讓試樣升溫與溫度控制，使用樣件分別獲取在23、150、300、450、600 ℃溫度下的材料的S-N曲線，獲得缸蓋的材料參數如表2.

根據獲取的材料特性與疲勞特性對柴油機進行熱機順序疲勞耦合分析，在一個高壓高溫的狀態下，氣缸蓋的熱機疲勞壽命結果如圖12.

由圖中的疲勞壽命分布結果可見：在熱機疲勞損傷中，高溫是導致疲勞損傷的主要原因，其次是機械損傷.其中疲勞壽命較低的區域主要分布在火力面的鼻梁區與噴油孔處，最低壽命為24 040次，這類區域主要受高溫氣體的作用，且結構狹小復雜、壁厚較小，壽命較低.

4.2 缸內燃燒溫度和冷卻液流速對氣缸蓋疲勞壽命影響

根據缸內燃燒溫度和冷卻液流速對氣缸蓋溫度影響結果得出不同工作參數對氣缸蓋工作壽命的影響，得到了不同缸內燃燒溫度和冷卻液流速下柴油機氣缸蓋的疲勞壽命分布如圖13（a）.通過對比分析縱向的燃燒室溫度變化可以看出：燃燒室的溫度變化對氣缸蓋的疲勞壽命影響較大，隨著溫度的越低疲勞壽命延長明顯，可以得出合理控制燃燒室的溫度，可以較大的提高氣缸蓋的使用壽命.

與此同時，從圖13（b）中可以觀察出，盲目地增加冷卻液入口的流速并不能有效地提高氣缸蓋的疲勞壽命，雖然冷卻水道入口處的速度變化對這些狹小空間的流速變化影響較小，但是對氣缸蓋整體的結構溫度分布影響較大，不合理的溫度分布可能產生巨大的區域溫度差，溫度差值越大應力差值也越大，更加容易產生疲勞損傷，所以合理地控制入口的流速也可以有效地提高氣缸蓋的疲勞壽命.

為了探究冷卻液流速的合理范圍，對560 ℃下的冷卻液流速進行了多組仿真計算，得到的疲勞壽命仿真計算結果如表3，根據表格中的仿真結果推測出氣缸蓋冷卻液的建議流速約為3.6 m/s，在此流速下氣缸蓋的熱機疲勞壽命相對較長，且較低的冷卻液流速可以減少能源消耗、減小流體對部件的磨損與沖擊.

5 結論

文中采用多場耦合方法對SCE450型中速柴油機大缸徑氣缸蓋的熱機疲勞壽命進行了預測，并分析了缸內燃燒溫度和冷卻液流速對整體疲勞壽命的影響規律，得到以下結論：

（1） 在溫度場分析中，氣缸蓋火力面溫度及排氣道溫度明顯高于其它區域，在噴油孔附近溫度最高，使用流-固耦合分析能較為準確的映射出氣缸蓋的溫度分布，在火力面的噴油口處出現最高溫度672.62 K.

（2） 在應力場分析中，熱應力主要集中在火力面鼻梁區及啟動閥處，最大應力值為463.49 MPa，氣缸蓋機械應力的最大值出現在與螺栓接觸的螺孔口附近，由于柴油機缸內爆發時的沖擊使得氣缸蓋與螺栓產生劇烈的擠壓，出現最大應力值為269.15 MPa.

（3） [JP3]在疲勞壽命分析中，疲勞壽命較低的區域主要分布在火力面的鼻梁區與啟動閥處，且排氣管道及火力面區域明顯低于其它區域，推測得出熱機疲勞損傷是導致氣缸蓋失效的主要原因，其次是機械損傷，在啟動閥附近出現了最低疲勞壽命為24 040次.

（4） 缸內燃燒溫度對整個氣缸蓋的疲勞壽命影響較大，盲目提高冷卻液的流速并不能提高氣缸蓋的疲勞壽命，較大冷卻液流速可能增大某些區域的溫度差進而減少使用壽命，經過仿真計算，得到氣缸蓋560 ℃時，流速在3.6 m/s下的熱機疲勞壽命相對較長.

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（責任編輯：曹莉）