基于熱機(jī)耦合的氣缸蓋強(qiáng)度分析

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

基于熱機(jī)耦合的氣缸蓋強(qiáng)度分析

朱小平，白 曙，陳 陽(yáng)

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

氣缸蓋在工作過(guò)程中受載復(fù)雜，包括裝配載荷、熱載荷和爆壓載荷。因此，在有限元分析中需要采用熱機(jī)耦合的方法才能得到可靠的計(jì)算結(jié)果。針對(duì)耐久性試驗(yàn)中出現(xiàn)的缸蓋開(kāi)裂問(wèn)題，采用熱機(jī)耦合方法計(jì)算分析了缸蓋的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和高周疲勞安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，缸蓋確實(shí)因存在疲勞安全系數(shù)不足而導(dǎo)致開(kāi)裂。

氣缸蓋 溫度場(chǎng) 應(yīng)力場(chǎng) 疲勞安全系數(shù)

1 前言

氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)最核心、最復(fù)雜的工作零件之一，其作用是密封氣缸的頂部，并與活塞和缸套共同組成發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)燃燒和做功空間。氣缸蓋的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，其中進(jìn)、排氣道負(fù)責(zé)氣體交換和氣流組織；水套負(fù)責(zé)組織水流對(duì)缸蓋進(jìn)行冷卻。因此，氣缸蓋功能的實(shí)現(xiàn)是由流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)共同作用決定的[1]。氣缸蓋在工作過(guò)程中承受著交變載荷，容易形成疲勞破壞。

在某機(jī)型缸蓋的耐久試驗(yàn)過(guò)程中，缸蓋頂板區(qū)域出現(xiàn)了裂紋，為找到開(kāi)裂的原因，對(duì)缸蓋進(jìn)行了有限元分析。

在分析過(guò)程中，綜合利用流體動(dòng)力學(xué)軟件和有限元軟件對(duì)缸蓋進(jìn)行了熱機(jī)疲勞分析，充分考慮流體和固體的共軛傳熱，以及機(jī)械與熱載荷的耦合作用對(duì)缸蓋疲勞特性的影響。

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，缸蓋頂板存在著安全系數(shù)不足的區(qū)域，與試驗(yàn)中出現(xiàn)的裂紋位置基本一致。由此也表明缸蓋確實(shí)因疲勞安全系數(shù)不足而導(dǎo)致開(kāi)裂。

2 計(jì)算方法和仿真模型的建立

2.1 計(jì)算方法

柴油機(jī)在工作運(yùn)行時(shí)，氣缸蓋承受著裝配載荷、熱載荷和燃?xì)鈮毫d荷。因此，要對(duì)氣缸蓋強(qiáng)度做出正確評(píng)價(jià)，就需要考慮熱載荷和機(jī)械載荷同時(shí)作用下的氣缸蓋的應(yīng)力狀態(tài)，即熱機(jī)耦合下的應(yīng)力狀態(tài)。

熱載荷通過(guò)熱傳遞分析來(lái)得到。因此氣缸蓋的強(qiáng)度計(jì)算可分為2個(gè)主要的步驟，即熱傳遞分析和

結(jié)構(gòu)分析。

來(lái)稿日期：2013-08-29

熱機(jī)耦合方法分為順序耦合和直接耦合。本文計(jì)算中選用更方便、更靈活的順序耦合分析方法。首先對(duì)模型施加熱分析的初始條件和邊界條件，計(jì)算得到模型的溫度場(chǎng)。然后把模型的節(jié)點(diǎn)溫度作為結(jié)構(gòu)分析的耦合載荷和邊界條件共同施加到模型上，得到結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)力場(chǎng)[2]，最后計(jì)算得到模型的高周疲勞強(qiáng)度。整個(gè)分析流程如圖1所示。

圖1 氣缸蓋熱機(jī)疲勞分析流程

2.2 氣缸蓋仿真模型的建立

本次分析對(duì)象為某6缸柴油機(jī)。考慮到氣缸蓋各缸結(jié)構(gòu)及其所受載荷的相似性，為提高計(jì)算效率，減少計(jì)算工作量，取4、5和6缸進(jìn)行分析。

模型中包括缸蓋、機(jī)體、缸墊、缸蓋螺栓、噴油器、噴油器螺栓、噴油器墊片、氣門(mén)座圈、氣門(mén)導(dǎo)管和缸套。計(jì)算中考慮材料屬性隨溫度的變化，限于篇幅，表1僅列出主要部件20℃常溫下的材料屬性。

表1 主要零件材料屬性表

有限元網(wǎng)格的劃分需要考慮單元類(lèi)型和單元數(shù)量方面的問(wèn)題。氣缸蓋結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此本文采用二階四面體單元進(jìn)行建模，對(duì)重要區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，建立的模型如圖2所示。

圖2 氣缸蓋分析網(wǎng)格模型圖

3 氣缸蓋的溫度場(chǎng)分析

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算邊界條件

氣缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算熱邊界條件包括冷卻液側(cè)和燃?xì)鈧?cè)，冷卻液側(cè)由CFD軟件計(jì)算得到，燃?xì)鈧?cè)主要包括氣缸蓋底面邊界條件和氣缸蓋進(jìn)排氣道壁面的邊界條件。

柴油機(jī)氣缸蓋處于高溫、高壓等復(fù)雜工況下工作，實(shí)際熱邊界條件受到很多內(nèi)、外界因素的影響，是無(wú)法精確求出的。因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求出平均放熱系數(shù)和平均介質(zhì)溫度，再根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)量的溫度值反復(fù)修正熱邊界，最終達(dá)到計(jì)算溫度與實(shí)測(cè)點(diǎn)溫度值相吻合為止[3]。標(biāo)定工況下，各表面的穩(wěn)態(tài)傳熱熱邊界條件如下：

（1）自由表面：氣缸蓋暴露于大氣環(huán)境中的表面即為自由表面。這些表面的傳熱特點(diǎn)是它們與周?chē)h(huán)境的傳熱非常微弱，故取平均傳熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，周?chē)沫h(huán)境溫度為30℃。

（2）進(jìn)氣道表面：進(jìn)氣道內(nèi)空氣的換熱系數(shù)通常在150～500 W/(m2·K)之間。本計(jì)算取傳熱系數(shù)為250 W/(m2·K)，環(huán)境溫度取為50℃。

（3）排氣道表面：排氣道表面換熱系數(shù)推薦值在200～500 W/(m2·K)之間。本計(jì)算取傳熱系數(shù)為450 W/(m2·K)，環(huán)境溫度根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定值取660℃。

（4）燃燒室表面：由于柴油機(jī)工作過(guò)程中燃燒室中發(fā)生換氣、燃燒等復(fù)雜過(guò)程，加之氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使這一邊界的環(huán)境溫度和換熱系數(shù)情況極為復(fù)雜，且隨時(shí)間不斷變化。本文按照大多數(shù)文獻(xiàn)的處理方法采用平均溫度（也稱(chēng)等效溫度）作為環(huán)境溫度。由于燃燒室表面各類(lèi)條件的不同，換熱系數(shù)也不盡相同。為了提高計(jì)算精度和方便修正邊界條件，將燃燒室表面劃分為8個(gè)區(qū)域[4]，加載不同對(duì)流換熱系數(shù)及溫度。圖3為火力面劃分圖，表2為根據(jù)試驗(yàn)修正后加載的參數(shù)值。

圖3 火力面表面分區(qū)示意圖

表2 各區(qū)域的傳熱邊界條件

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖4為溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。由圖中可以看出，鼻梁區(qū)及噴油器孔附近溫度較高，氣缸蓋最高溫度為342.2℃，滿(mǎn)足材料許可溫度的要求。

圖5為該型號(hào)氣缸蓋的溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布情況，共布置了16個(gè)測(cè)點(diǎn)。表3是試驗(yàn)值和計(jì)算值的對(duì)比?？梢钥闯?，誤差均在5%以?xún)?nèi)，說(shuō)明缸蓋溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖4 氣缸蓋溫度場(chǎng)分布圖

圖5 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布圖

4 缸蓋的應(yīng)力場(chǎng)分析

4.1 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算邊界條件

載荷邊界主要為裝配預(yù)緊載荷和爆發(fā)壓力。計(jì)算中缸蓋螺栓擰緊力矩為265～285 N·m；噴油器螺栓擰緊力矩為40～49 N·m；氣門(mén)座圈過(guò)盈量（半徑）為0.043 5 mm；氣門(mén)導(dǎo)管過(guò)盈量（半徑）為0.015 mm；最大爆壓為16.5 MPa，輪流作用于各缸。

位移約束邊界包括第4缸截面的對(duì)稱(chēng)約束和機(jī)體底面的全約束邊界。

4.2 應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

本文共計(jì)算了5種工況：工況1為裝配載荷工況；工況2為裝配載荷疊加熱載荷工況；工況3為工況2的基礎(chǔ)上在第4缸施加爆發(fā)壓力；工況4為工況2

的基礎(chǔ)上在第5缸施加爆發(fā)壓力；工況5為工況2的基礎(chǔ)上在第6缸施加爆發(fā)壓力。圖6～圖10為各工況下缸蓋的應(yīng)力分布圖。

表3 試驗(yàn)值和計(jì)算值得對(duì)比

由圖中可以看出，熱載荷的影響很大。在5個(gè)工況中，氣缸蓋的最大應(yīng)力為237.1 MPa，低于氣缸蓋材料的許可強(qiáng)度。

5 氣缸蓋的疲勞強(qiáng)度分析

5.1 高周疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

氣缸蓋在運(yùn)行時(shí)承受著穩(wěn)態(tài)載荷（裝配載荷和熱載荷）以及交變載荷（工作載荷）的共同作用。

圖6 工況1下氣缸蓋整體應(yīng)力分布圖

圖7 工況2下氣缸蓋整體應(yīng)力分布圖

圖8 工況3下氣缸蓋整體應(yīng)力分布圖

圖9 工況4下氣缸蓋整體應(yīng)力分布圖

本文采用FEMFAT軟件的Trans-MAX通道對(duì)氣缸蓋進(jìn)行無(wú)限壽命的高周疲勞計(jì)算。計(jì)算時(shí)選擇最

危險(xiǎn)的工況組合以得到最小安全系數(shù)，也即工況2至工況5。計(jì)算中考慮幾個(gè)最重要的影響因素，包括表面粗糙度、加工工藝等。另外，有限元模型和載荷數(shù)據(jù)各考慮5%的偏差，因此，所需的安全系數(shù)設(shè)定為1.1。計(jì)算得到的疲勞安全系數(shù)分布如圖11所示。由圖中可以看出，氣缸蓋疲勞安全系數(shù)存在低于所需值1.1的區(qū)域。

圖10 工況5下氣缸蓋整體應(yīng)力分布圖

5.2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比

圖12為氣缸蓋疲勞安全系數(shù)低于所需值1.1區(qū)域的截圖。該區(qū)域疲勞安全系數(shù)最小值為0.83，出現(xiàn)在圓角處。圖13為耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋處的截圖，由此可以得出仿真計(jì)算得到的安全系數(shù)不足區(qū)域與試驗(yàn)中出現(xiàn)裂紋區(qū)域基本一致。

圖11 氣缸蓋疲勞安全系數(shù)分布圖

6 結(jié)論

本文通過(guò)熱機(jī)耦合方法計(jì)算了氣缸蓋的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和高周疲勞安全系數(shù)，結(jié)論如下：

（1）氣缸蓋最高溫度為342.2℃，出現(xiàn)在進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)之間鼻梁區(qū)，溫度滿(mǎn)足材料許可溫度的要求。

圖12 安全系數(shù)不足區(qū)域截圖

圖13 缸蓋裂紋處

（2）氣缸蓋所受最大應(yīng)力值為237.1 MPa，符合材料的許可強(qiáng)度要求，熱載荷對(duì)氣缸蓋的應(yīng)力影響很大。

（3）氣缸蓋的高周疲勞安全系數(shù)存在低于1.1的區(qū)域，與試驗(yàn)中裂紋出現(xiàn)位置基本一致。

1肖翀，左正興．柴油機(jī)氣缸蓋的耦合場(chǎng)分析及應(yīng)用[J]．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2006（4）：26-29．

2夏春晶，劉玉鳳等．氣缸蓋蠕變－疲勞壽命預(yù)測(cè)[J]．失效分析與預(yù)防，2008（1）：59-63．

3李春玲．柴油機(jī)氣缸蓋溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2006（2）：18-20．

4董非．考慮沸騰傳熱的內(nèi)燃機(jī)流-固耦合及熱負(fù)荷問(wèn)題的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究[D]．江蘇大學(xué)，2010：69-70．

Strength Analysis of Cylinder Head Based on Mechanical-thermal Coupled Method

Zhu Xiaoping,Bai Shu,Chen Yang
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd,Shanghai 200438,China）

Loads on the cylinder head are very complicated during engine operation,which include assembly load,thermal load and gas load.Hence,the acceptable results of finite element analysis should be obtained with mechanical-thermal coupled method.To cope with the crack problem of a cylinder head during the durability test,the mechanical-thermal coupled method was used to calculate the temperature field,the stress field and the high cycle fatigue safety factor of the cylinder head.The calculated results indicated that the cylinder head cracked due to the low fatigue safety factor.

cylinder head,temperature field,stress field,fatigue safety factor

朱小平（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)疲勞可靠性。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.04.006