冷热冲击对发动机缸盖损伤机理分析与实际应用

0 引言

直喷增压发动机缸盖在高温和低温循环交替的条件下，会处于一种屈服工作状态，经常会在燃烧室部位引起疲劳裂纹。若结构设计考虑不周，会在实际开发验证中以及后期市场上出现破坏现象。目前，在产品开发前，可通过仿真分析方法来预测气缸盖是否可以承受高低温冲击

，并能预测缸盖的疲劳安全系数

。发动机在实际使用过程中，要经历不计其数次起、停循环及负载的变化，导致发动机的热负荷产生剧烈变化，缸盖是最容易受到损伤的重要零部件。对于缸盖来说，常见的低周疲劳失效模式为缸垫处机油、冷却液泄漏，火花塞孔及鼻梁区开裂等。冷热冲击试验通常是检验缸盖低周疲劳比较有效的试验方法之一。

宋睿更用睿言智语阐释了云图控股对未来的判断。“几年前我就说过，复合肥企业的好日子一去不复返了。农资产业过去二十年经历了三个阶段，2018年又出现了分水岭。各种政策叠加令形势吃紧，今年又出现一波独立行情，原材料疯涨，复合肥价格不动。”宋睿认为，一个生产企业必须准确预测到五年，乃至更长时间的市场格局。云图看终局，复合肥就是一个加工行业。未来谁掌控资源，谁才有拓展市场的能力。宋睿强调：“随着一些资源项目投产、产业链的进一步延长，云图控股将拿出一部分利润，让经销商赢回市场、赢得尊重。”

1 发动机缸盖低周疲劳损伤模型

1.1 缸盖低周疲劳理论和缸盖相对损伤模型

当载荷超过σe时，工程材料和构件将产生永久性的变形，即在载荷消除后将产生不可逆变形。在接近甚至超过其屈服强度的循环应力的作用下，塑性应变循环所造成的疲劳(如10

～10

)被称为低周疲劳。低周疲劳中，应力和应变的问题相应地变得复杂，而不是简单的线性弹性变化。

基于损伤累积的Miner理论以其结构简单，使用方便等优点在工程中得到了广泛的应用。由于Miner公式的计算结果在某些情况下不尽人意, 许多科技工作者曾作了大量的研究, 提出几种累积损伤理论, 但都因其局限性未能推广。但Miner线性累积损伤理论仍是目前应用最广泛的理论。局部应力-应变方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。Manson-Coffin公式是局部应力应变法中著名的应变-寿命关系公式

。

本文应用的Miner线性累积损伤理论和Manson-Coffin公式模型如下:

为应变幅值；

分别为一次循环破坏时的塑性变形滞后环上的塑性应变幅；

为疲劳延性指数；

试验工况一主要验证发动机机体以及缸垫所能承受冷热冲击的能力，每循环24min，共计1000个循环。

1.2 计算需求参数

根据下述Manson-Coffin公式分别计算出缸盖火花塞安装孔在两种冷热冲击工况下产生疲劳裂纹的循环次数，然后再计算出每种工况实际运行循环与其对应寿命循环数的比值，我们把此比值定义为该工况下的考核强度，以此来判断两种试验工况考核强度的大小。

基于统计的岩石密度数据可知，偏基性的安山岩、玄武岩密度较高，超过2.50×103kg/m3，因此，可推测高密度岩石中偏基性的火山岩占有较大比例，而低密度岩石中偏酸性的火山岩所占比例较高。由此可得出冀北地区火山岩在空间上的分布呈现以下规律：偏酸性的火山岩围绕着偏基性的火山岩以环状形式分布。

：对应于第

级载荷水平直至疲劳破坏的循环数(相当于寿命)；

试验工况二：检验零部件对高低温瞬间变化的承受能力，每循环360～480秒，共计3000个循环。

2.3.1 局部应力应变法

2 缸盖热机疲劳分析

2.1 温度场试验与仿真结果

分析主要考虑全速全负荷工况以及怠速(停机)工况，先通过CFD分析得到燃烧室的温度及换热系数边界。再通过双向流固耦合计算得到两种工况下的缸盖燃烧室温度场分布。

为了验证仿真数据与真实试验数据的差异性，试验前在发动机缸盖的鼻梁区安装了热电偶传感器，然后运行发动机，分别按照两种冷热冲击试验工况和温度边界运行，并测量得出鼻梁区真实的金属温度值。试验工况一额定工况温度分布如如图1，停机工况温度分布如图2。试验工况二额定工况温度分布如图3所示，怠速工况温度分布如图4所示。

试验工况一仿真最高温度为193.7℃，最低温度为14℃，试验数据最高为188.8℃，最低温度17.5℃。试验工况二仿真最高温度为193.7℃，最低温度为52℃，试验数据最高为186.5℃，最低为42.8℃，两者的趋势基本一致。

2.2 应力及应变分析结果

因水资源时空分布差异较大，受强降雨、强台风影响，各地频繁发生洪涝灾害，水利人一直都在与水患灾害进行斗争。近年来我国水利建设获得了可喜的成就，大江大河治理初见成效，积累了宝贵的水利建设经验，不过我们也应该看到，当前水利建设过程中也存在着很多问题，如管理机制不灵活、管理体制不合理。水利工程是一项综合性工程，它具有一定公益性，同时也带有经营性质，公益、经营二者混在一起，责任不清楚，同时运行机制也不灵活，使得管理单位不能全身心投入到管理活动中，同时也缺少经营的能力；建设与管理脱节，后期管理缺少资金投入；基层管理单位条件差，人员配备不足，留不住高素质人材。

由于气缸盖火力面承受高温高压燃气冲击，在实际工作中会产生较高的温度和较大的应力，使该区域发生塑性变形，进而产生热机疲劳损伤。此次主要分析缸盖内燃烧室，经过两个分析循环后，等效塑性变形趋于稳定，仿真分析与试验结果汇总见表3。

分析结果表明排气门鼻梁区应力低于材料屈服极限，而火花塞孔处应力超屈服极限，进入塑性变形区间。火花塞孔处在试验工况一中经过第一个冷热冲击循环后等效塑性应变幅值0.32%，第二个循环后为0，已稳定，如图5和图6所示。火花塞孔处在试验工况二中经过第一个冷热冲击循环后等效塑性应变幅值为0.269%，第二个循环后为0，如图7和图8所示。

当前，山区经营的果园、桑园、茶园等，林下草本覆盖水平普遍偏低，有的与耕地种植相似，需要增加草被覆盖。尤其在六、七两个月，是水土流失的重点时段，必须禁止皖河流域中上游耕地和园地土壤裸露。

2.3 低周疲劳分析及考核强度对比

Late diagnosis of chronic pancreatitis or pancreatic adenocarcinoma limits treatment and results in a worse prognosis. Despite worldwide investigation,suitable diagnostic markers have not been proposed yet.

为了验证仿真结果的准确与否，在同一个机型上多台发动机分别进行上述两种不同的冷热冲击试验工况验证，冷热冲击试验关键要控制发动机冷却液出口温度。试验工况一冷、热工况各180s，其中包含工况切换时间均为15s，工况切换过程冷却液同步进行切换，热工况为额定功率点，冷工况为怠速点，此过程为一个试验循环，试验共进行3000个循环。试验工况二热工况维持运行500s，从冷工况到热工况切换时间为40s，热工况为额定功率点，冷工况为发动机停止运转状态，保持时间为750s，从热工况切换到冷工况为150s，此为一个试验循环，共计运行1000个循环，两种试验工况的冷却液出口温度控制分别如表1和表2所示。

2.3.2 寿命计算及考核强度对比

零部件温度的获取途径主要通过整机温度场试验直接获取试验过程中的缸盖火力面的温度变化。

超临界CO2络合萃取法是选择带有正电荷的金属离子和带有负电荷的络合剂，通过络合反应形成稳定的络合物，最后在相中加入极性改性剂使配合物与超临界流体分离。袁超［24］用超临界CO2络合萃取绿茶中Cu2+、Pb2+、Cd2+和萃取压力为25 MPa、萃取温度为333 K，静态萃取时间为30 min，重金属的总萃取率最达到73.9%，Cu2+、Pb2+、Cd2+的萃取率分别为75.1%，62.3%和61.9%。

Manson-Coffin公式模型如下：

从表4对比结果来看，试验工况一单个循环下的损伤量比试验工况二大，但因试验工况一总的试验循环次数少，总的累计损伤小，因此试验工况一相对于寿命的考核强度只有36.7%，而试验工况二的考核强度为81.2%，因而试验工况二总的考核强度更大，为工况一的2.2倍。

3 台架试验验证结果

此方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。基于疲劳损伤的本质—塑性变形, 认为疲劳损伤过程就是塑性变形累积到一定量时导致裂纹产生。

试验结果表明发动机均能顺利通过试验工况一，缸垫处无液体渗漏现象出现。但采用试验工况二进行到1/3～1/2耐久试验时间时，缸垫处出现了不同程度的润滑油和冷却液渗漏现象，如图9和图10所示。

仿真虽然模拟了两种冷热冲击工况对火花塞孔的损伤对比，但因实际循环次数并未达到疲劳寿命，所以并未出现火花塞孔开裂的现象。但试验结果同时也说明，它对发动机缸垫的密封同样能起到考核作用，试验工况一总体考核强度弱于试验工况二。

4 结论

在企业实际开发流程中，存在两种不同冷热冲击试验工况，对试验评价体系造成一定程度的困扰，本文通过热机疲劳分析及试验验证对比了两种试验工况考核强度的差异。

我国太阳能光伏产业起步较西方国家略晚，借鉴和了解掌握全球新能源政策尤其是针对光伏项目补贴政策，对促进我国可再生能源健康发展和未来光伏市场发展至关重要。自2009年开始实施“金太阳示范工程”以来，法规政策趋于完善，100多项国家政策性文件和地方政府促进区域光伏产业健康发展的措施，营造有利于产业发展互补配套的政策环境，培育了国内光伏市场，扶持了产业龙头企业，在推动能源转型中发挥了重要作用，中国光伏“两头在外”的局面得到大幅度的改善。未来10年太阳能发电容量持续增长，中国将成为全球规模最大、增长速度最快的太阳能市场。

4.1对缸盖在热机负荷综合影响下的应力应变进行了弹塑性有限元分析，采用局部应力应变法，火花塞孔在试验工况一下的应变为0.320%，在试验工况二下的应变为0.269%，小于经验值1%；

21世纪的首个10年，是全水利行业贯彻落实科学发展观，实现传统水利向现代水利、民生水利和可持续发展水利战略转型的关键期。广大水利科技工作者按照国家科技工作的十六字指导方针，把握国家科学治水的现实要求，在践行可持续发展治水新思路、推进民生水利新发展、有效应对突发水事件等方面发挥着重要的支撑作用。

4.2试验工况一的计算寿命为2725次，实际运行1000次，验证强度为0.367。试验工况二计算寿命为3696次，实际运行3000次，验证强度为0.812。试验工况二的整体考核强度强是工况一的2.2倍；

4.3发动机采用试验工况一进行验证，缸垫处无液体渗漏现象。采用试验工况二进行验证，试验过程中或试验结束后，缸垫处均出现了不同程度的液体渗漏现象，与仿真结果预测的一致，说明本文数值模拟计算及评价方法的有效性，为实际应用提供了理论支撑。

[1]刘凯敏,杨靖, 张思远,等. 增压直喷汽油机排气歧管低周疲劳的研究[J]. 汽车工程, 2016(3):373-379.

[2]王先瑞. 发动机缸盖低周疲劳分析方法研究[J]. 汽车实用技术, 2017, 000(016):74-76.

[3]苏圣,胡景彦,吴丰凯,陈超,江帆,吕希斌.缸盖冷热冲击低周疲劳的研究[J].拖拉机与农用运输车,2014,41(01):40-42.

[4]路明,王振.缸盖低周疲劳分析方法研究[J].机械制造与自动化,2016:93-95.

[5]张应兵,路明.不同工况下的缸盖低周疲劳对比分析[J].《汽车实用技术》,2018:42-43.

[6]聂宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基础[J].航空学报,1993(05):310-312.

[7]胡延东, 胡志忠, 曹淑珍. 物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命预测[J]. 中国科学:技术科学, 2012, 042(003):36-45.