发动机缸盖低周疲劳分析方法研究

王先瑞

发动机缸盖低周疲劳分析方法研究

王先瑞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

由于缸盖工作在高温的环境中，并且在高低温的循环变化下，缸盖材料基本处于屈服状态，同时缸盖又受到爆发压力等周期性的机械载荷，因此缸盖极易发生开裂的情况。针对某直列四缸发动机，研究缸盖的低周疲劳分析方法，在发动机初期对缸盖的危险位置进行预测，分析表明，此方法可以有效的预测缸盖的低周疲劳安全系数。

低周疲劳；有限元方法；sehitoglu损伤模型

CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-74-03

缸盖作为发动机的核心零部件，也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。

目前对于低周疲劳的分析并没有很好的方法，由于试验方法需要很高的费用且时间较长并不能得到很好的应用。本文基于sehitoglu低周损伤模型，运用有限元的方法，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 分析方法研究

产生热机械疲劳破坏的部件往往受到非常复杂的载荷情况。如发动机缸盖，根据装配关系以及发动机运转时的状态，缸盖受到的载荷包括缸盖螺栓预紧力、气门导管和气门座圈装配过盈量、缸内气体爆发压力以及温度载荷，其中缸盖螺栓预紧力和装配过盈量为恒定载荷，即在发动机运转的各个工况不发生较大的变化。而缸内爆发压力和温度载荷则随着工况的变化而变化，即为周期载荷，载荷情况随时间变化非常复杂，用有限元的方法模拟这一过程，将付出非常长的时间周期以及产生巨大的数据量，这在工程上是不可接受的。

因此我们需要把这一复杂的非线性问题分解为两个小的可以解决的问题，把两个耦合在一起的周期载荷解耦，首先把缸盖的复杂载荷过程分解成温度恒定机械载荷周期变化（图1所示）和机械载荷恒定温度周期变化（图2所示）的两个子过程，恒温变机械载荷过程使用标准的疲劳损伤模型，标准的材料参数，载荷随时间变化，对于此类问题的研究已经比较成熟，在项目中已经得到很多的应用。而恒机械载荷变温度的过程需要特殊的疲劳损伤模型，以及特殊的材料属性，温度载荷随时间变化。这里的疲劳损伤模型使用Sehitoglu损伤模型，把缸盖的总体损伤分解成机械损伤、环境损伤和蠕变损伤。材料属性则包括弹性模量、比热、导热系数、线膨胀系数、塑性属性、老化、氧化以及蠕变属性等，且都与温度相关。

图1 恒温变载荷工况

图2 恒机械载荷变温度工况

2 低周损伤理论

根据sehitoglu损伤理论，总损伤为机械损伤（Dfat）、氧化损伤（Dox）以及蠕变损伤（Dcreep）之和，如式1所示。

机械损伤模型基于Coffin-Manson公式：

其中△γmech为剪切应变，E为弹性模量，υ为泊松比，σ'f为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，ε'f为疲劳延展性系数，c为疲劳延展性指数，为机械损伤寿命。

氧化损伤模型为：

其中hcr为临界裂纹长度，δo为氧化物延展性，B、β为材料常量，α为应变率敏感性常量，Kpeff为有效氧化常量，为氧化应变，为氧化寿命，φOX为氧化相位，。

蠕变损伤模型为：

其中A、m为材料常量，K近似为屈服强度，α1、α2为比例因子，△H为活化能，为蠕变相位，。[1-7]

3 低周疲劳分析

3.1 有限元前处理

根据缸盖重点考察区域，以及载荷的情况，有限元分析模型包括缸盖、缸体、缸垫、缸盖螺栓、气门座圈、气门导管及气门等部件。网格划分的基本原则为既能保证分析精度，又能减少分析时间。这就要求重点关注区域以及边界加载区域划分比较细密的网格，而非关注区域划分尺寸较大的网。其中缸盖部分的网格如图3所示。

图3 缸盖部分网格

3.2 低周疲劳分析工况

模拟分析中一个疲劳循环工况持续时间T，只需控制部件的温度即可，一个工况包括四个过程，从怠速到全速全负荷工况，保持全速全负荷工况，降低到怠速工况，保持怠速工况。由于考虑材料的塑性和蠕变等特性，开始几个疲劳循环中各节点中的应力和应变并不稳定，而在最后的疲劳分析中我们需要稳定的应力应变结果，因此分析又分为三个阶段，初始循环阶段包括两个疲劳工况，然后持续30小时，目的是使蠕变特性表现出来，最后稳定循环阶段包括两个疲劳循环工况，最后一个循环用于疲劳分析。[8-12]

图4 低周疲劳循环工况

3.3 分析结果

图5 缸盖低周疲劳寿命分布

首先进行传热分析，得到全速全负荷工况以及怠速工况下的温度分布，再根据低周疲劳循环工况进行应力分析，得到稳定循环下的缸盖的应力应变分布，最后基于sehitoglu方法进行缸盖的低周疲劳寿命分析，得到一个循环的总损伤，根据Miner损伤累积理论得到缸盖的低周疲劳寿命分布，如图5所示，可以看出，在缸盖燃烧室的预热塞处寿命较小，存在低于4000个循环的区域，有较大的风险。

经过4000个循环的试验后拆机发现，在燃烧室预热塞处出现疲劳裂纹，如图6所示，与分析结果位置基本一致。

图6 试验结果

3.4 设计优化

从结果分析，加工预热塞孔角度较大，使边缘部分有一定的尖角，且发现在裂纹位置壁厚较其他部分厚，导致温度不均匀，产生较大的塑性变形，这些都会影响低周疲劳寿命，基于以上分析，在产生裂纹位置加工一个卸载槽，在去掉尖角的同时，降低此位置的厚度，使热量可以充分的被冷却液带走，针对优化的方案进行低周疲劳分析，结果如图7，可以看出，在预热塞的位置低周疲劳寿命大于10000，有明显的改善。

图7 优化后的低周疲劳寿命分布

针对优化后的模型重新进行试验测试，经过4000个循环的验证后，试验结果如图8所示，可以看出，通过增加卸载槽后预热塞位置没有发生疲劳裂纹，通过了验证。

图8 优化后模型试验结果

4 结论

通过低周疲劳分析，发现缸盖燃烧室在预热塞位置存在开裂的风险，从试验结果可以发现，经过4000个循环的低周疲劳试验，预热塞位置出现疲劳裂纹，与分析结果基本一致。经过设计优化后没有出现疲劳裂纹，通过验证。

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Low Cycle Fatigue Analysis Method Study of Cylinder Head

Wang Xianrui
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd. Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

Due to cylinder head work in high temperature environment, and under the high and low temperature cycle changes, the cylinder head material is always in yield condition, the cylinder head is under the periodic mechanical load, such as the gas load etc, so the crack of the cylinder head easily happened. In this paper for an inline four-cylinder engine, the low cycle fatigue analysis method of cylinder head is studied, at the beginning of the engine design, the dangerous position of the cylinder head is forecasted. The analysis shows that this method can effectively predict the low cycle fatigue safety factor of cylinder head.

low cycle fatigue; finite element method; damage model based on sehitoglu

U464

A

1671-7988(2017)16-74-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.027

王先瑞，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心。