基于有限元的缸蓋低周疲勞壽命仿真分析

楊林強，錢德猛，路　明

（江淮汽車股份有限公司，合肥230601）

基于有限元的缸蓋低周疲勞壽命仿真分析

楊林強，錢德猛，路明

（江淮汽車股份有限公司，合肥230601）

對cofiin-manson模型進行修正，通過有限元的方法對整機模型進行分析，得到缸蓋的溫度場及應力場分布；運用子模型的方法進一步分析缸蓋燃燒室部分，針對發(fā)動機的典型工況仿真分析缸蓋燃燒室的低周疲勞壽命，并找出主要影響參數(shù)。

發(fā)動機缸蓋；低周疲勞；有限元；coffin-manson模型

缸蓋作為發(fā)動機的核心零部件，是工作環(huán)境最惡劣的部件之一，承受著氣體燃燒產生的高溫。在高溫環(huán)境中，缸蓋材料的機械性能會有明顯的下降。高低溫交替變化，同時又承受循環(huán)的機械載荷，缸蓋的燃燒室部分很容易發(fā)生低周疲勞失效。

目前對于缸蓋低周疲勞的分析并沒有很好的方法，由于試驗需要的費用很高且時間較長，未能得到很好的應用。本文基于修正的coffin-manson模型，運用有限元分析，并且為了提高計算速度，使用子模型的方法，得到缸蓋危險部位燃燒室的溫度差、應力幅以及塑性應變幅，進而得到燃燒室的疲勞壽命分布。此方法可以提前預測缸蓋的薄弱部位，指導缸蓋設計。

1　修正的coffin-manson模型

由于本文要考慮溫度的影響，因此，對coffin-manson模型進行修正。對于穩(wěn)定循環(huán)，基于粘塑性應變幅和應力幅的損傷方程為

式中：△εE為彈性應變幅；△σ為應力幅；E（Tm）為溫度在Tm時的彈性模量；Nf為疲勞壽命；β、β0、b0、b1、b2為與材料有關的常數(shù)。

其中，A（△σ，Tm，th）=1/k△σ A0exp（＜Tmx-T0＞th/τ）（4）式中：△εP為塑性應變幅；＜Tmx-T0＞為溫差；th為時間；k、A0、τ為常量?？倯兎鶠?/p>

聯(lián)立方程可得，

上式中只要得到△σ、△εP，就可以求出疲勞壽命Nf。可以通過有限元的方法，計算得到△σ、△εP［1-7］。

2　有限元分析

2.1網(wǎng)格要求

缸蓋受到的載荷主要為機械載荷和熱載荷，其中機械載荷包括缸蓋螺栓預緊力、氣門座圈和氣門導管過盈安裝產生的裝配載荷以及缸內爆發(fā)壓力，同時考慮缸墊的非線性特性，因此，整個模型需要包括缸體、缸蓋、氣門導管、氣門座圈、缸墊和缸蓋螺栓。

對缸墊模型進行簡化，只保留起主要作用的缸墊筋，缸墊的網(wǎng)格類型選擇GK3D12MN，包括STOPPER部分和GASKET部分。首先，為了與缸孔網(wǎng)格一致，STOPPER部分周向選擇60層網(wǎng)格；其他部分以STOPPER網(wǎng)格的長度為基礎劃分，根據(jù)模型的情況進行適當調整。缸墊網(wǎng)格如圖1所示。

缸蓋部分是最復雜的一個部件，網(wǎng)格數(shù)目占整個模型比例的66.6%。首先，缸蓋的結構非常復雜，包括很多特征，而且必須被保留。其次，缸蓋部分在后處理中關注的區(qū)域較多，并且在前處理中有很多邊界加載區(qū)域，這些區(qū)域網(wǎng)格要求細密，包括燃燒室、氣道、油道以及缸蓋水套部分。第三，在用ABAQUS分析時，要求各不同部件的接觸邊界上網(wǎng)格節(jié)點一一對應，缸蓋是與不同結構接觸最多的部件，包括與氣門座圈、氣門導管、缸墊以及缸蓋螺栓等部件接觸。缸蓋部分整體網(wǎng)格如圖2所示。

由于缸體在此分析中只起到支撐的作用，為了減少計算時間，對作為約束的缸體可以進行簡化處理。在不影響剛度的情況下，可以盡量簡化一些孔洞，且網(wǎng)格尺寸可以盡量放大，以減少網(wǎng)格數(shù)量。

缸蓋網(wǎng)格完成后氣門座圈、氣門導管以及缸蓋螺栓的網(wǎng)格可以根據(jù)接觸部分的網(wǎng)格進行劃分。由于低周疲勞分析步數(shù)較多，運用整體網(wǎng)格進行計算時，計算周期較長，重點關注的區(qū)域只有缸蓋燃燒室部分，因此，使用子模型方法提取燃燒室部分的網(wǎng)格進行后續(xù)的計算，可以節(jié)約大量的時間。子模型選取方法如圖3所示。

2.2有限元分析結果

低周疲勞分析工況如圖4所示。待塑性應變幅穩(wěn)定后，選取最后一個分析循環(huán)作為低周疲勞壽命分析的循環(huán)。需要得到全速全負荷工況和怠速工況下的溫度分布以及相應的應力場分布。

全速全負荷工況下的溫度場分布如圖5所示。從結果可以看出，子模型的結果與整體模型相一致。全速工況下燃燒室部分最高溫度為241℃，位于排氣門與排氣門之間（EX-EX），靠近氣門座圈的位置。由于進氣溫度較排氣溫度低，因此，進氣門與進氣門之間（IN-IN）的溫度較低，排氣門與進氣門之間（EX-IN）呈現(xiàn)溫度由大到小的一個梯度。怠速工況下的溫度分布情況與全速工況相似，只是最高溫度為38℃。兩種工況在上訴兩個特征點上的溫度差分別為203℃和192℃，溫差較大。大的溫度差是引起結構發(fā)生低周疲勞斷裂的主要因素。

2.3低周疲勞壽命分析

在最后一個穩(wěn)定的循環(huán)工況下，提取燃燒室部分的溫度差、應力幅以及塑性應變幅進行低周疲勞壽命的計算。在進氣門與排氣們之間部位的應力幅以及塑性應變幅較大，重點關注A、B、C、D、E五點的疲勞壽命，計算如表1所示，壽命分布如圖6所示，溫度差、塑性應變幅、應力幅以及低周期的柱狀圖如圖7-圖10所示。疲勞壽命最小的位置與應力幅和塑性應變幅較大的區(qū)域相一致，可見這兩個參數(shù)對低周疲勞壽命影響較大［8-12］。

表1　重點區(qū)域的壽命計算

3　結束語

有限元的方法可以快速地預測缸蓋疲勞壽命比較薄弱的區(qū)域，對疲勞壽命影響較大的參數(shù)為應力幅以及塑性應變幅，排氣門與排氣門之間雖然有較高的溫度差，但由于排氣門與進氣門之間有較大的應力幅以及塑性應變幅，因此，在排氣門與進氣門之間的A、C兩點的壽命更小。

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修改稿日期：2014-12-09

Low Cycle Fatigue Life Simulation of Cylinder Head Based on FEM

Yang Linqiang，Qian Demeng，Lu Ming
（Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230601，China）

The authorsmodify the coffin-manson model and analyze the machine mode lto get the temperature field and stress field distributions of the cylinder head through the finite element method.Theyuse the means ofsub-model for further analysis of the combustion chamber，make the simulation calculation of the low cycle fatigue life of the cylinder head combustion chamberunder theengine typicalworkingconditions，and find outthemain influence factors.

cylinder head；low cycle fatigue；finite element；coffin-manson model

U 464.132

A

1006-3331（2015）03-0001-03

楊林強（1976-），男，高級工程師；技術中心動力院副院長；主要從事發(fā)動機業(yè)務技術管理工作。