基于瞬态温度场的缸盖低周疲劳分析

基于瞬态温度场的缸盖低周疲劳分析
张应兵; 路明
【期刊名称】《《汽车制造业》》
【年(卷),期】2018(000)018
【总页数】2页(P42-43)
【关键词】低周疲劳破坏; 发动机缸盖; 瞬态温度场; 疲劳分析; 铝合金缸盖; 塑性变形; 设计
【作者】张应兵; 路明
【作者单位】江淮汽车集团股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U464.132
缸盖作为发动机的核心零部件之一，工作中会受到流场、温度场以及应力场的综合影响。

随着节能环保的要求越来越高，对缸盖的设计提出了更高要求，特别是铝合金缸盖的大量应用，在降低发动机重量的同时，缸盖的强度特性也大大降低。

试验数据表明，缸盖的破坏往往发生在工况变化较剧烈的情况，此时缸盖不仅承受着周期变化的机械载荷，同时又承受着周期变化的温度载荷，铝合金缸盖会产生较大的塑性变形，从而发生低周疲劳破坏。

目前，对于车用发动机缸盖的低周疲劳研究较少，而试验研究的周期较长。

随着基础材料的深入研究以及计算机仿真技术的应用，对于此方面的研究也越来越多，但
往往只考虑了恒定温度工况下的机械疲劳，或者只考虑了稳态温度场的低周疲劳分析。

为了更真实地模拟缸盖在发动机运转下的载荷情况，基于瞬态温度场，研究在怠速工况到全速全负荷工况之前周期变化时的缸盖低周疲劳寿命，此种方法与以往研究不同，考虑了温度载荷的周期变化及瞬态温度场的影响。

根据缸盖的受力情况建立缸盖低周疲劳有限元分析模型，考虑材料的非线性特性，通过缸内流动分析以及水套CFD分析得到缸盖燃烧室、气道以及水套的传热边界条件，将CFD计算结果映射到缸盖表面，得到瞬态的缸盖温度场分布，并根据低周疲劳分析循环计算相应温度点的有限元结果进行低周疲劳分析。

图1 有限元模型
有限元模型
缸盖主要受到缸盖螺栓预紧力、气门座圈和导管的过盈量、缸内爆发压力以及温度载荷等，同时考虑缸垫的非线性特性，整个有限元模型包括缸体、缸盖、气门座圈、气门导管、缸垫以及缸盖螺栓等部件。

考虑缸垫的回弹特性，缸垫部分的网格定义为gasket单元，其余部件单元类型定义为二阶四面体单元，有限元模型如图1所示。

在保证计算精度的前提下尽量减小网格的数量，由于缸盖低周疲劳一般发生在燃烧室部位，因此此区域需要划分较细密的网格，燃烧室位置网格如图2所示，倒角
处使用直角三角形网格，两个排气门之间的温度一般较高，而排气门和进气门桥温度梯度较大，这些位置的网格质量要求较高。

瞬态温度场分析
图2 燃烧室部位网格
在怠速工况到全速全负荷工况、再到怠速工况的变化中，缸盖的温度并不是线性变化的，一般分析中只计算怠速工况以及全速全负荷工况的温度场，中间过程根据设置的步长线性插值，而考虑瞬态的温度场特性，温度场分析共分为5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 s，如图3所示。

怠速工况以及全速全负荷工况的温度场结果如图4、图5所示，从全速全负荷工况的结果可以看出，排气门桥之间的温度较高，而排气门和进气门之间的温度梯度较大，在此位置会产生较大的塑性应变，其他温度点的结果不一一示出。

低周疲劳分析
图3 温度循环工况
图4 怠速工况下的温度分布
图5 全速全负荷工况下的温度分布
图6 有限元分析工况
图7 燃烧室位置寿命值分布
有限元计算基于瞬态的温度场计算结果，工况共包括5个循环，如图6所示，分为初始循环和稳定循环，在第3个循环的全速全负荷工况保持30 h，主要为了考虑材料的蠕变特性，以最后一个循环的结果进行低周疲劳分析，寿命分布如图7所示，从结果可以看出，寿命值较小的区域分布在进排气门之间的位置，最小寿命为1 739，表示在经过1 739个分析循环后该位置有开裂的风险，从温度结果可以看出，此位置的温度梯度较大，且由于结构突变，在该位置有应力集中，在高低温交替变化时会产生较大的塑性应变，导致该位置寿命较低。

结论
本文基于瞬态温度场分析结果，对发动机缸盖进行了低周疲劳寿命预测，从结果看此方法可以有效地指导设计。

寿命较低的区域发生在进排气门之间，从温度场分析结果可以看出，此区域的温度梯度较大，从结构上看此位置存在结构变化，容易发生应力集中，综合导致在进排气门之间的倒角处产生了大的塑性应变。

最小寿命值为1 739个循环，对于车用发动机来说存在一定的风险，可以增加该位置倒角的
尺寸来提高疲劳寿命。