基于有限元的缸盖低周疲劳寿命仿真分析

杨林强，钱德猛，路　明

（江淮汽车股份有限公司，合肥230601）

基于有限元的缸盖低周疲劳寿命仿真分析

杨林强，钱德猛，路明

（江淮汽车股份有限公司，合肥230601）

对cofiin-manson模型进行修正，通过有限元的方法对整机模型进行分析，得到缸盖的温度场及应力场分布；运用子模型的方法进一步分析缸盖燃烧室部分，针对发动机的典型工况仿真分析缸盖燃烧室的低周疲劳寿命，并找出主要影响参数。

发动机缸盖；低周疲劳；有限元；coffin-manson模型

缸盖作为发动机的核心零部件，是工作环境最恶劣的部件之一，承受着气体燃烧产生的高温。在高温环境中，缸盖材料的机械性能会有明显的下降。高低温交替变化，同时又承受循环的机械载荷，缸盖的燃烧室部分很容易发生低周疲劳失效。

目前对于缸盖低周疲劳的分析并没有很好的方法，由于试验需要的费用很高且时间较长，未能得到很好的应用。本文基于修正的coffin-manson模型，运用有限元分析，并且为了提高计算速度，使用子模型的方法，得到缸盖危险部位燃烧室的温度差、应力幅以及塑性应变幅，进而得到燃烧室的疲劳寿命分布。此方法可以提前预测缸盖的薄弱部位，指导缸盖设计。

1　修正的coffin-manson模型

由于本文要考虑温度的影响，因此，对coffin-manson模型进行修正。对于稳定循环，基于粘塑性应变幅和应力幅的损伤方程为

式中：△εE为弹性应变幅；△σ为应力幅；E（Tm）为温度在Tm时的弹性模量；Nf为疲劳寿命；β、β0、b0、b1、b2为与材料有关的常数。

其中，A（△σ，Tm，th）=1/k△σ A0exp（＜Tmx-T0＞th/τ）（4）式中：△εP为塑性应变幅；＜Tmx-T0＞为温差；th为时间；k、A0、τ为常量。总应变幅为

联立方程可得，

上式中只要得到△σ、△εP，就可以求出疲劳寿命Nf。可以通过有限元的方法，计算得到△σ、△εP［1-7］。

2　有限元分析

2.1网格要求

缸盖受到的载荷主要为机械载荷和热载荷，其中机械载荷包括缸盖螺栓预紧力、气门座圈和气门导管过盈安装产生的装配载荷以及缸内爆发压力，同时考虑缸垫的非线性特性，因此，整个模型需要包括缸体、缸盖、气门导管、气门座圈、缸垫和缸盖螺栓。

对缸垫模型进行简化，只保留起主要作用的缸垫筋，缸垫的网格类型选择GK3D12MN，包括STOPPER部分和GASKET部分。首先，为了与缸孔网格一致，STOPPER部分周向选择60层网格；其他部分以STOPPER网格的长度为基础划分，根据模型的情况进行适当调整。缸垫网格如图1所示。

缸盖部分是最复杂的一个部件，网格数目占整个模型比例的66.6%。首先，缸盖的结构非常复杂，包括很多特征，而且必须被保留。其次，缸盖部分在后处理中关注的区域较多，并且在前处理中有很多边界加载区域，这些区域网格要求细密，包括燃烧室、气道、油道以及缸盖水套部分。第三，在用ABAQUS分析时，要求各不同部件的接触边界上网格节点一一对应，缸盖是与不同结构接触最多的部件，包括与气门座圈、气门导管、缸垫以及缸盖螺栓等部件接触。缸盖部分整体网格如图2所示。

由于缸体在此分析中只起到支撑的作用，为了减少计算时间，对作为约束的缸体可以进行简化处理。在不影响刚度的情况下，可以尽量简化一些孔洞，且网格尺寸可以尽量放大，以减少网格数量。

缸盖网格完成后气门座圈、气门导管以及缸盖螺栓的网格可以根据接触部分的网格进行划分。由于低周疲劳分析步数较多，运用整体网格进行计算时，计算周期较长，重点关注的区域只有缸盖燃烧室部分，因此，使用子模型方法提取燃烧室部分的网格进行后续的计算，可以节约大量的时间。子模型选取方法如图3所示。

2.2有限元分析结果

低周疲劳分析工况如图4所示。待塑性应变幅稳定后，选取最后一个分析循环作为低周疲劳寿命分析的循环。需要得到全速全负荷工况和怠速工况下的温度分布以及相应的应力场分布。

全速全负荷工况下的温度场分布如图5所示。从结果可以看出，子模型的结果与整体模型相一致。全速工况下燃烧室部分最高温度为241℃，位于排气门与排气门之间（EX-EX），靠近气门座圈的位置。由于进气温度较排气温度低，因此，进气门与进气门之间（IN-IN）的温度较低，排气门与进气门之间（EX-IN）呈现温度由大到小的一个梯度。怠速工况下的温度分布情况与全速工况相似，只是最高温度为38℃。两种工况在上诉两个特征点上的温度差分别为203℃和192℃，温差较大。大的温度差是引起结构发生低周疲劳断裂的主要因素。

2.3低周疲劳寿命分析

在最后一个稳定的循环工况下，提取燃烧室部分的温度差、应力幅以及塑性应变幅进行低周疲劳寿命的计算。在进气门与排气们之间部位的应力幅以及塑性应变幅较大，重点关注A、B、C、D、E五点的疲劳寿命，计算如表1所示，寿命分布如图6所示，温度差、塑性应变幅、应力幅以及低周期的柱状图如图7-图10所示。疲劳寿命最小的位置与应力幅和塑性应变幅较大的区域相一致，可见这两个参数对低周疲劳寿命影响较大［8-12］。

表1　重点区域的寿命计算

3　结束语

有限元的方法可以快速地预测缸盖疲劳寿命比较薄弱的区域，对疲劳寿命影响较大的参数为应力幅以及塑性应变幅，排气门与排气门之间虽然有较高的温度差，但由于排气门与进气门之间有较大的应力幅以及塑性应变幅，因此，在排气门与进气门之间的A、C两点的寿命更小。

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修改稿日期：2014-12-09

Low Cycle Fatigue Life Simulation of Cylinder Head Based on FEM

Yang Linqiang，Qian Demeng，Lu Ming
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230601，China）

The authorsmodify the coffin-manson model and analyze the machine mode lto get the temperature field and stress field distributions of the cylinder head through the finite element method.Theyuse the means ofsub-model for further analysis of the combustion chamber，make the simulation calculation of the low cycle fatigue life of the cylinder head combustion chamberunder theengine typicalworkingconditions，and find outthemain influence factors.

cylinder head；low cycle fatigue；finite element；coffin-manson model

U 464.132

A

1006-3331（2015）03-0001-03

杨林强（1976-），男，高级工程师；技术中心动力院副院长；主要从事发动机业务技术管理工作。