不同工况下的缸盖低周疲劳对比分析

张应兵，路明

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

缸盖作为发动机的核心零部件承受着复杂的载荷，随着近年来排放和油耗法规的升级，发动机的热效率逐步提升，缸盖的工作环境则进一步恶化，在高温环境中，缸盖材料的机械性能会有明显的下降。在高低温交替变化，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。目前对于车用发动机的缸盖低周疲劳问题研究较少，之前的研究一般针对稳态温度场下的疲劳寿命分析。但根据雨流计数法，中间工况的选择对于疲劳结果有很大的影响，本文将基于sehitoglu低周疲劳分析理论，研究稳态工况和瞬态工况下的某发动机的缸盖低周疲劳问题，对比两种工况下的低周疲劳寿命。

1 低周疲劳分析理论

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：

其中为剪切应变，E为弹性模量， 为泊松比，为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数，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，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，为活化能，为蠕变相位，。[1-7]

2 有限元模型

低周疲劳分析需要考虑装配载荷以及温度载荷，依据此模型包括缸体、缸盖、缸盖螺栓、气门座圈、气门导管以及缸垫。有限元模型如图1所示，为了减少计算时间，缸盖低周疲劳开裂一般发生在燃烧室位置，因此，在燃烧室位置需要划分较细密的网格，且在倒角位置要划分直角三角形的网格，保证计算精度，燃烧室位置的局部网格模型如图2所示。

图1 有限元模型

图2 燃烧室局部网格

3 低周疲劳分析温度边界

分析时同时考虑稳态温度场以及瞬态温度场两种工况，稳态温度场考虑怠速工况及全速全负荷工况，中间的过程结果按照线性插值得到，而瞬态分析工况如图3所示，温度场分析共分为五个循环，初始循环从室温到全速全负荷工况，再到怠速工况，每个循环持续360秒，中间过程考虑实际温度变化，稳态工况以及瞬态工况最后一个循环的全速全负荷温度场如图4、5所示，中间点的温度场由于篇幅的原因不贴出，从结果可以看出，两种工况的温度分布略有不同，瞬态工况最高温度较稳态工况低4℃。

图3 瞬态温度场分析工况

图4 稳态工况温度分布

图5 瞬态工况温度分布

4 低周疲劳分析对比

考虑稳态温度场下的低周循环工况如图6所示，分析中一个疲劳循环工况持续360s，一个工况包括四个过程，从怠速到全速持续90s，保持全速90s，降低到怠速90s，保持怠速 90s，中间过程温度场为线性插值。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。

图6 稳态低周疲劳循环工况

考虑瞬态温度场下的低周循环工况如图7所示，一个循环工况同样持续360s，与稳态不同的是，中间工况点考虑瞬态的温度场分析结果。

图7 瞬态低周疲劳循环工况

根据两种不同工况的结果进行低周疲劳分析后，疲劳寿命结果如图8、9所示，从结果可以看出，稳态工况下的最低寿命为7473，而瞬态工况下的最低寿命为1589，瞬态工况下的结果远低于稳态工况，从安全系数的分布情况也可以看出，瞬态工况下的低周疲劳寿命更加危险。

图8 稳态工况低周疲劳寿命分布

图9 瞬态工况低周 疲劳寿命分布

5 结论

1）本文基于稳态及瞬态两种工况对某发动机缸盖进行低周疲劳分析，从结果看，两种工况的疲劳结果分布基本一致，最小寿命位置均在进排气门之间。

2）稳态工况最低寿命为 7473，瞬态工况最低寿命为1589，瞬态工况远低于稳态工况，表明瞬态工况更加苛刻。

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