基于有限元的缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

季明微，常耀紅，邢國(guó)雨

?

基于有限元的缸蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)

季明微，常耀紅，邢國(guó)雨

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋在高低溫的周期變化下會(huì)發(fā)生低周疲勞破壞，文章基于有限元的方法，對(duì)某汽油機(jī)缸蓋進(jìn)行低周疲勞分析，針對(duì)缸蓋燃燒室的壽命問題進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的缸蓋壽命大大提升。

缸蓋設(shè)計(jì)；有限元方法；低周疲勞

前言

隨著汽車排放及油耗法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中缸蓋承受的溫度以及爆發(fā)壓力逐漸增加，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋受到的熱機(jī)械負(fù)荷提升較大，導(dǎo)致缸蓋發(fā)生低周疲勞破壞，目前針對(duì)缸蓋的低周疲勞模擬分析研究較少，而試驗(yàn)方法既費(fèi)時(shí)，又不能很好的找到影響低周疲勞的關(guān)鍵因素。

本文基于sehitoglu低周疲勞損傷模型，利用有限元的方法對(duì)缸蓋低周疲勞進(jìn)行預(yù)測(cè)，針對(duì)某汽油機(jī)缸蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 低周疲勞損傷模型

根據(jù)sehitoglu損傷理論，總損傷為機(jī)械損傷（D）、氧化損傷（D）以及蠕變損傷（D）之和，如式1所示。

機(jī)械損傷模型基于Coffin-Manson公式：

氧化損傷模型為：

蠕變損傷模型為：

2 有限元分析方法及網(wǎng)格處理

缸蓋工作中受到的載荷包括缸蓋螺栓預(yù)緊力、氣門座圈過盈量、氣門導(dǎo)管過盈量以及溫度載荷，根據(jù)載荷情況，確定有限元模型包括的部件為缸蓋、缸體、缸蓋螺栓、汽缸墊、氣門座圈、氣門導(dǎo)管以及氣門。網(wǎng)格模型如圖1所示，由于缸蓋容易發(fā)生低周疲勞破壞的區(qū)域在燃燒室部分，因此此位置需要?jiǎng)澐州^細(xì)密的網(wǎng)格，且網(wǎng)格質(zhì)量要求較高。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

3 基于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的低周疲勞計(jì)算

分析主要考慮全速全負(fù)荷工況以及怠速工況，先通過CFD分析得到燃燒室、進(jìn)排氣道以及水套的溫度及換熱系數(shù)邊界。再通過雙向流固耦合計(jì)算得到兩種工況下的缸體缸蓋溫度場(chǎng)分布。

圖2 低周疲勞分析工況

圖3 疲勞壽命分布

低周疲勞分析工況如圖2所示，模擬分析中一個(gè)疲勞循環(huán)工況持續(xù)360s，一個(gè)工況包括四個(gè)過程，從怠速到全速持續(xù)90s，保持全速90s，降低到怠速90s，保持怠速90s。分析又分為三個(gè)階段，初始循環(huán)階段包括兩個(gè)疲勞工況，然后持續(xù)30小時(shí)，目的是使蠕變特性表現(xiàn)出來，最后穩(wěn)定循環(huán)階段包括兩個(gè)疲勞循環(huán)工況，最后一個(gè)循環(huán)用于疲勞分析。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)考慮的是在兩種工況交替的時(shí)候中間的過程溫度為線性增加，疲勞壽命分布如圖3所示，可以看出燃燒室部位疲勞壽命為3790個(gè)循環(huán)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，壽命低的原因主要為該位置存在結(jié)構(gòu)突變，且處在溫度梯度較大的區(qū)域，導(dǎo)致塑性應(yīng)變較大，針對(duì)此位置進(jìn)行優(yōu)化，增加圓角尺寸，減小應(yīng)力集中。

優(yōu)化后結(jié)果如圖4所示，可以看出，增加圓角尺寸后該位置的壽命值提升到7473個(gè)循環(huán)，提升較大，滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖4 優(yōu)化后壽命分布

4 結(jié)論

1）采用sehitoglu低周疲勞分析模型，基于有限元方法，把缸蓋復(fù)雜的載荷情況簡(jiǎn)化為恒機(jī)械載荷溫度周期變化的過程，模型考慮了材料的塑性、蠕變等非線性特性，并結(jié)合多學(xué)科的耦合計(jì)算，模擬部件的低周疲勞特性。

2）通過對(duì)某汽油機(jī)缸蓋的低周疲勞分析，發(fā)現(xiàn)缸蓋燃燒室位置最低壽命為3790個(gè)循環(huán)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，通過對(duì)該位置圓角尺寸的優(yōu)化，經(jīng)過重新分析后最低壽命提升為7473個(gè)循環(huán)，滿足了設(shè)計(jì)的需求。

[1] Surech,S.Fatigue of Materials[M].國(guó)防工業(yè)出版社,1993,389-404.

[2] 聶宏.Miner公式和Manson-Coffin公式的能量基礎(chǔ)[J].航空學(xué)報(bào), 1993,14（5）:310-312.

[3] 趙帥帥,陳永祥等.基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)估[J].強(qiáng)度與環(huán)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?xùn)|,胡志忠,曹淑珍.物理短裂紋Manson-Coffin公式的理論研究及壽命預(yù)測(cè)[J].中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué),2012,42（3）:272-281.

[6] 郭乙木,陳朝東,張儀萍.室溫Manson-Coffin公式的一種修正[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),1998,32（6）:671-677.

[7] 楊俊,謝壽生,祁圣英等.基于等效應(yīng)變的輪盤低循環(huán)疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2010,11（6）:12-16.

The Optimum Design of Cylinder Head Based on Finite Element Method

Ji Mingwei, Chang Yaohong, Xing Guoyu

( Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

The cylinder head of some diesel engine was broken in the low cycle fatigue test. In this paper, the analysis of cylinder head low cycle fatigue had been performed follows the procedure of the test based on finite element method. The result showed that the life of the position of heater plug was below 4000. it was same with the test.

cylinder head design; finite element method; low cycle fatigue

U462

A

1671-7988(2018)24-177-02

U462

A

1671-7988(2018)24-177-02

季明微（1985-），女，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.063