基于断裂力学的高压共轨燃油系统可靠性设计

２０１９年第１期第２５卷（总第１６６期）

ｄｏｉ：１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １６７１０６１４ ２０１９ ０１ ００９

基于断裂力学的高压共轨燃油系统可靠性设计

崔彪，杨海涛，吴东兴，夏兴兰，张武凯，余成龙

（中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所，江苏无锡２１４０６３）

㊀㊀摘要㊀共轨系统喷射压力的提高，对产品可靠性设计提出严峻挑战㊂如高压油道表面初始

微裂纹㊁材料内部夹杂物等缺陷都会对产品可靠性产生重要影响㊂断裂力学是研究裂纹萌生及其扩展规律的科学，其揭示了材料特性㊁结构设计及加工工艺三者之间的内在联系㊂以某双油道喷油器体为例，采用断裂力学研究其在交变压力载荷作用下裂纹扩展的路径㊂研究结果与实际裂纹断口形貌检测结果一致㊂在高压共轨燃油系统的开发过程中，可应用断裂力学理论对结构应力㊁微裂纹大小及应力强度因子三者进行优化匹配㊂这对结构设计优化㊁加工工艺控制及关键零部件材料选择具有重要指导意义㊂

关键词：共轨燃油系统㊀断裂力学㊀裂纹扩展㊀可靠性

ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅＣｏｍｍｏｎＲａｉｌＦｕｅｌＳｙｓｔｅｍ

ＢａｓｅｄｏｎＦｒａｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ

ＣＵＩＢｉａｏ，ＹＡＮＧＨａｉｔａｏ，ＷＵＤｏｎｇｘｉｎｇ，ＸＩＡＸｉｎｇｌａｎ，ＺＨＡＮＧＷｕｋａｉ，ＹＵＣｈｅｎｇｌｏｎｇ（ＦＡＷＷｕｘｉＦｕｅｌＩｎｊｅｃｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｘｉ，２１４０６３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆａｃｏｍｍｏｎｒａｉｌ（ＣＲ）ｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌ⁃ｉｔｙｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＣＲｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍｉｓｆａｃｅｄａｓｅｖｅｒｅｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｉｎｉｔｉａｌｍｉｃｒｏ⁃ｃｒａｃｋｓｏｎｆｕｅｌｐｉｐｅｓｕｒｆａｃｅｏｒｉｍｐｕｒｉｔｙｉｎｍａｔｅｒｉａｌｈａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅ⁃ｃｈａｎｉｃｓｉｓａｓｃｉｅｎｃｅｏｆｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｌａｗｏｆｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｉｔｒｅｖｅａｌｓｉｎｄｅｔａｉｌｔｈｅｉｎｔｅｒ⁃ｎａｌｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔａｋｉｎｇａｄｏｕｂｌｅ⁃ｃｈａｎｎｅｌｉｎｊｅｃｔｏｒａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐａｔｈｏｆｔｈｅｉｎｊｅｃｔｏｒｕｎｄｅｒａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｃｔｕａｌｃｒａｃｋｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｔｅｓｔ．ＤｕｒｉｎｇｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＣＲｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｈｉｇｈｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓｔｈｅｏｒｙｔｏｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓ，ｍｉｃｒｏ⁃ｃｒａｃｋｓｉｚｅａｎｄｓｔｒｅｓｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｃａｎｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕｉｄｉｎｇｒｏｌｅｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉ⁃ｚａｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｓｅｌｅｃｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｍｏｎｒａｉｌｆｕｅｌｓｙｓｔｅｍ，ｆｒａｃｔｕｒｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ来稿日期：２０１８－１１－２３

作者简介：崔彪（１９８７－），男，工程师，主要研究方向为发动机及燃油系统的ＣＡＥ分析㊂０

前言

断裂力学是研究含裂纹（缺陷）构件断裂强度的一门学科㊂它的发展解决了许多工程中灾难性的低应力脆断问题，已成为失效分析的重要研究方

法之一，弥补了常规设计方法的不足［１］㊂传统疲劳分析方法描述的是没有初始裂纹的结构在承受交变载荷作用下，产生宏观裂纹及裂纹扩展直至结构断裂全过程㊂其可靠性评价是两点式的，即将构件在特定工况下的最大应力或名义应力与材料强度进行

比较㊂这里的强度包含抗拉强度㊁屈服强度及疲劳强度㊂当最大应力超过抗拉强度或名义应力超过疲劳强度时，则认为构件在有限的寿命内将发生破坏㊂这种传统可靠性评价方法的缺陷在于，忽略了加工工艺对可靠性的影响，也可以说是表面质量特性对可靠性的影响㊂如表面粗糙度，其在一定程度上反映了构件表面微裂纹的大小㊂

高压共轨燃油系统的油道内表面，尤其是当高压油道是细长形或深盲孔的结构型式时，受加工工

艺的限制，其表面的粗糙度要求难以得到保证㊂在当前的工艺水平条件下，精加工如钻㊁镗等工序完成后，表面粗糙度Ｒａ值较高，通过一定的高压清洗及液体挤压研磨，表面光洁程度有所提高；但Ｒａ值通常仍处于１ ６μｍ水平，对裂纹大小具有重要影响的Ｒｚ参数甚至在数１０μｍ以上㊂高压系统应力高，且应力是交变的㊂如果材料表面存在非常微小的缺陷，由于缺口效应，往往会从微裂纹处开始产生应力集中，最糟糕的情况是完全裂开㊂这些微小缺陷有时候是由于加工留下的伤痕，在高压（２００ＭＰａ，甚至２５０ＭＰａ）的环境下，即便是材料中的细微夹杂物，也会成为开裂的起因㊂因此，在高喷射压力共轨燃油系统的开发过程中，采用断裂力学方法对其可靠性设计进行评估，十分必要㊂

１断裂力学理论

断裂力学方法描述的是结构具有初始裂纹缺陷，其在承受交变载荷作用下，裂纹扩展至失稳状态的规律［２⁃３］㊂

１ １应力强度因子

构件的断裂起源于裂纹，而裂纹的静止㊁平衡或发展都与裂纹尖端附近的应力场有直接关系，即应力强度因子Ｋ㊂Ｋ值是随载荷㊁结构㊁裂纹（包括大小㊁形状及位置）的不同而改变的动态量，其表征了在外力作用下构件裂纹尖端附近应力场的强弱，用公式可以表示为：

Ｋ＝ｆσπａ（１）式中：Ｋ为应力强度因子，ＭＰａ㊃ｍｍ１／２；ｆ为形状因数（与裂纹大小㊁位置等有关），该值一般介于１ １ ２；σ为名义应力，ＭＰａ，即裂纹位置上按无裂纹计算的应力大小；ａ为裂纹尺寸，ｍｍ㊂

１ ２断裂判据

当构件裂纹尖端处应力强度因子Ｋ值达到了临界值ＫＩＣ时，构件就会失稳断裂㊂临界值ＫＩＣ表征了材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性好坏的一个定量指标，称为断裂韧性㊂断裂韧性ＫＩＣ为失稳断裂的临界值，与材料种类㊁其热处理方式等都有关系，可通过特定的材料试验获得㊂对于裂纹在动载下是否扩展，则用指标Ｋｔｈ来衡量㊂其值为裂纹扩展门槛值，Ｋｔｈ通常比ＫＩＣ小很多㊂当构件在实际工作状态下的应力强度因子Ｋ小于Ｋｔｈ时，裂纹将不会发生扩展，此时为永久寿命；当Ｋｔｈ＜Ｋ＜ＫＩＣ时为有限寿命，具体的疲劳寿命与材料的裂纹扩展速率有关㊂１ ３材料㊁结构与加工之间的关系

断裂力学理论实际上将材料㊁结构设计及加工

工艺三者有机地统一在一个理论框架下（见图１）㊂

应力强度因子Ｋ值由结构应力水平及表面加工质

量决定，通过断裂判据将Ｋ值与材料本身的断裂

参数（ＫＩＣ㊁Ｋｔｈ）进行比较，可以对可靠性设计进行评价㊂相比于传统疲劳分析方法，

断裂力学方法

承认初始缺陷的存在更符合实际情况㊂

图１材料㊁结构与加工之间的关系

２案例分析

２ １现象描述

某共轨燃油系统的喷油器配套大功率发动机㊂

为了保证进油速率并减少压力波动，喷油器采用双

进油道设计㊂在其油泵台架试验过程中，喷油器的

进油道鼻梁处发生开裂现象

（见图２）㊂

图２进油道鼻梁处开裂

２ ２应力及疲劳分析

采用ＡＢＡＱＵＳ软件，按共轨压力２２０ＭＰａ，采

用传统的疲劳计算方法，对喷油器进油道鼻梁及沉

孔圆角位置的应力分布进行了有限元计算分析，分

析结果如图３ ４所示㊂

从计算结果可以看出，沉孔圆角位置应力集中