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[发动机] 不同工况下的缸盖低周疲劳对比分析

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发表于 2020-7-8 09:09:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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)



【中国汽车材料网】摘 要:利用有限元方法,基于sehitoglu低周疲劳损伤模型,针对稳态温度场和瞬态温度场两种工况对某发动机缸盖进行低周疲劳分析对比。分析结果表明,瞬态温度场工况下的缸盖低周疲劳寿命远低于稳态温度场工况下的疲劳寿命。
关键词:低周疲劳;稳态温度场;瞬态温度场;有限元方法

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。
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机械损伤模型基于Coffin-Manson公式:
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其中
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为剪切应变,E为弹性模量, 为泊松比,
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为疲劳强度系数,b为疲劳强度指数,
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为疲劳延展性系数,c为疲劳延展性指数,
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为机械损伤寿命。
氧化损伤模型为:
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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,
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为氧化应变,
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为氧化寿命,
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为氧化相位,
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蠕变损伤模型为:
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其中 A、m为材料常量,K近似为屈服强度,α1、α2为比例因子,
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为活化能,
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为蠕变相位,
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。[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。
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图1 有限元模型


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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℃。
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图3 瞬态温度场分析工况


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图4 稳态工况温度分布


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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。
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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。
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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。
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图8 稳态工况低周疲劳寿命分布


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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。


参考文献
[1] Surech,S.Fatigue of Materials[M].国防工业出版社,1993,389-404.
[2] 聂宏.Miner公式和 Manson-Coffin公式的能量基础[J].航空学报,1993,14(5):310-312.
[3] 赵帅帅,陈永祥等.基于修正 Coffin-Manson模型的加速寿命试验设计与评估[J].强度与环境,2013,40(4):52-58.
[4] HU YanDong,HU ZhiZhong,CAO ShuZhen.Theoretical study on Manson-Coffin equation for physically short cracks and lifetime prediction[J].SCIENCE CHINA Technological Sciences,2012,55(1):34-42.
[5] 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,2012,42(3):272-281.
[6] 郭乙木,陈朝东,张仪萍.室温Manson-Coffin公式的一种修正[J].浙江大学学报,1998,32(6):671-677.
[7] 杨俊,谢寿生,祁圣英等.基于等效应变的轮盘低循环疲劳寿命预测[J].空军工程大学学报,2010,11(6):12-16.
[8] 新矢伸昭.铸铁气缸盖低循环寿命预测方法的开发[J].国外内燃机,2003,(5):52-56.
[9] 朱小平,刘震涛,俞小莉.热-机耦合条件下气缸盖强度及疲劳寿命分析[J].机电工程,2011,28(10):1176-1179.
[10] 刘勤,姬广振,侯新荣等.热固耦合条件下气缸盖结构可靠性设计分析[J].车用发动机,2011,(5):68-71.
[11] 邓帮林,刘敬平,杨靖等.某缸盖热机疲劳分析[J].湖南大学学报,2012,39(2):30-34.
[12] 胡定云,陈泽忠,温世杰等.某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测[J].车用发动机,2008,(176):38-40.




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