鋁合金活塞低周材料性能表征及壽命預(yù)測

王文杰，許春光，王國瑩，王根全，賈曉亮，趙志強，任路

(1.海裝西安局，內(nèi)蒙古 包頭 014000；2.中國北方發(fā)動機研究所(天津),天津 300400； 3.陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐臨汾地區(qū)軍事代表室，山西 侯馬 043011)

活塞作為柴油機核心關(guān)鍵零部件之一，在工作過程中作高速往復(fù)運動，同時其頂面還承受高溫高壓作用。鋁合金材料具有比強度高、密度低、鑄造性能好等優(yōu)點，在活塞中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著柴油機強化程度的不斷提高，缸內(nèi)燃燒壓力和燃?xì)鉁囟却蠓岣?，這使得活塞承受的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷也愈加嚴(yán)重，活塞頂面及銷孔部位開裂已成為鋁合金活塞的主要失效模式以及柴油機性能進一步強化的制約瓶頸。當(dāng)柴油機啟停狀態(tài)或運行工況發(fā)生較大變化時，缸內(nèi)溫度產(chǎn)生大幅波動，致使活塞產(chǎn)生較大的低頻變化的熱應(yīng)力，往往會導(dǎo)致活塞溫度變化較大的頂面特別是喉口部位產(chǎn)生塑性變形，進而產(chǎn)生疲勞裂紋，這種疲勞失效稱為低周疲勞失效[1-2]。在高強化柴油機活塞的設(shè)計中，低周疲勞評估必須予以重視。

目前國內(nèi)很多學(xué)者已對活塞低周疲勞壽命預(yù)測開展了一定的研究。徐春龍[3]對柴油機鋁合金活塞開展加速熱疲勞試驗研究，考慮蠕變與疲勞相互的作用，預(yù)測了活塞的低周熱疲勞壽命。劉世英[4]開展了活塞熱疲勞壽命與熱應(yīng)力關(guān)系的研究，進行了活塞低周疲勞壽命預(yù)測，同時結(jié)合熱疲勞試驗臺架對預(yù)測結(jié)果進行了驗證。胡定云等[5]基于Masson-coffin方程開展了活塞激光熱負(fù)荷試驗臺熱邊界條件下活塞的低周疲勞壽命預(yù)測。張慶[6]針對鋁合金活塞的蠕變-疲勞耦合特性問題，從試驗、理論、數(shù)值仿真等方向開展了深入的研究，基于損傷力學(xué)的分析方法，建立了鋁合金材料蠕變-疲勞損傷非線耦合壽命預(yù)測模型，開展了活塞低周壽命預(yù)測分析。目前，活塞低周疲勞壽命的預(yù)測主要以活塞的線性載荷特性仿真為基礎(chǔ)，采用可考慮不同損傷模式的壽命預(yù)測方程來進行活塞的壽命預(yù)測。

本研究以柴油機鋁合金活塞為研究對象，利用試驗與仿真分析的手段，開展了活塞鋁合金材料低周塑性性能與疲勞性能表征研究，結(jié)合活塞低周非線性承載特性的研究及能量法理論，開展了活塞關(guān)鍵特征點的低周疲勞壽命預(yù)測，為活塞的材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供支撐。

1 研究思路

主要開展三方面研究：1)根據(jù)活塞鋁合金材料低周疲勞試驗數(shù)據(jù)，開展鋁合金材料的塑性性能表征研究，掌握材料應(yīng)力與塑性應(yīng)變關(guān)系，為活塞低周承載特性分析奠定基礎(chǔ)；2)根據(jù)活塞鋁合金材料低周疲勞試驗數(shù)據(jù)，開展鋁合金材料低周疲勞性能表征研究，建立鋁合金材料應(yīng)變能密度與壽命的關(guān)系，為活塞低周疲勞壽命預(yù)測奠定基礎(chǔ)；3)開展活塞低周承載特性及疲勞壽命預(yù)測研究，提取活塞特征點低周工況下應(yīng)力應(yīng)變曲線，獲得特征點的塑性應(yīng)變能，開展活塞低周疲勞壽命預(yù)測。

2 活塞鋁合金材料塑性性能表征研究

低周疲勞壽命預(yù)測的塑性應(yīng)變能理論認(rèn)為[7]：循環(huán)塑性及其累積是導(dǎo)致疲勞損傷的基本原因，塑性應(yīng)變能是描述疲勞損傷的一個重要參量。因此，鋁合金材料塑性特性的獲取與處理直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，對活塞低周疲勞壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性非常重要。

活塞鋁合金材料的低周疲勞試驗在計算機輔助控制的MTS810液壓伺服疲勞試驗機上進行，采用高頻感應(yīng)線圈對試樣標(biāo)距部位進行加熱(見圖1)，通過在試樣標(biāo)距范圍內(nèi)點焊熱電偶來監(jiān)控溫度，采用機械應(yīng)變控制的三角波加載，應(yīng)變控制通過軸向高溫陶瓷引伸計來實現(xiàn)。

圖1 材料低周疲勞試驗機感應(yīng)加熱系統(tǒng)

根據(jù)活塞測溫及穩(wěn)態(tài)溫度場仿真可知，在標(biāo)定工況下，活塞喉口部位溫度最高，約為425 ℃，燃燒室底及中間部位溫度約為350 ℃，振蕩油腔及活塞內(nèi)腔頂面溫度約為280 ℃，這些區(qū)域是活塞溫度較高的區(qū)域，在柴油機工況發(fā)生變化時，這些區(qū)域的溫度會產(chǎn)生較大的變化，形成較高的熱應(yīng)力，易引起鋁合金活塞的低周疲勞失效。因此，在進行活塞鋁合金材料低周疲勞試驗測試時，針對活塞這些特征部位的工作溫度，采用活塞本體鋁合金材料取樣，在不同溫度(280 ℃，350 ℃，425 ℃)、不同應(yīng)變幅(0.1%，0.15%，0.2%，0.3%，0.4%)下開展材料低周疲勞試驗，最終取材料在不同溫度及應(yīng)變幅下半壽命周期處滯回環(huán)(見圖2)開展材料塑性性能的表征。

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，鋁合金材料滯回環(huán)變得扁而寬，說明材料應(yīng)力峰值在不斷降低，在相同的應(yīng)變幅下材料應(yīng)力峰值在降低，塑性應(yīng)變能力在不斷增加。

圖2 活塞鋁合金材料半壽命周期滯回環(huán)

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變由滯后回線(見圖3)尖端的軌跡定義，具有如下形式[8]：

(1)

式中：ε為總應(yīng)變；εe為彈性應(yīng)變；εp為塑性應(yīng)變；σ為應(yīng)力；E為彈性模量；K′為循環(huán)強度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

圖3 滯后回線

根據(jù)Ramberg-Osgood模型[9-10]，應(yīng)力幅-應(yīng)變幅曲線可以用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述，即

(2)

式中：εa為應(yīng)變幅；εea為彈性應(yīng)變幅；εpa為塑性應(yīng)變幅；σa為應(yīng)力幅。

式(2)可以表示為應(yīng)變區(qū)間和應(yīng)力區(qū)間的形式：

(3)

式中：Δε為應(yīng)變區(qū)間，Δεe為彈性應(yīng)變區(qū)間；Δεp為塑性應(yīng)變區(qū)間；Δσ為應(yīng)力區(qū)間。

式(3)可以簡化為如下的穩(wěn)定滯后回線方程：

(4)

塑性應(yīng)變區(qū)間及應(yīng)力區(qū)間的關(guān)系為

(5)

也即

(6)

對式(6)兩邊取對數(shù)，可得

(7)

由式(7)可以看出，循環(huán)強度系數(shù)lg(K′)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′為線性曲線的截距和斜率。

塑性應(yīng)變幅可用如下方程計算：

(8)

利用最小二乘法擬合來確定K′和n′時，一般忽略小于0.000 5 mm/mm的塑性應(yīng)變幅[11]。

采用式(7)及式(8)對試驗得到的鋁合金材料滯后回線(見圖2)進行最小二乘法擬合，可得到其在各溫度點時的彈性模量E、循環(huán)強度系數(shù)K′和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′(見表1)。

表1 材料各溫度下塑性性能參數(shù)

把表1中的鋁合金材料塑性性能參數(shù)輸入到有限元仿真軟件，建立鋁合金材料試驗試棒模型，模擬鋁合金材料低周疲勞試驗加載邊界，并與測試應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行對比，以檢驗鋁合金材料試驗數(shù)據(jù)的表征參數(shù)的準(zhǔn)確性。鋁合金材料應(yīng)力應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)與表征參數(shù)仿真值對比如圖4至圖6所示。

圖4 280 ℃仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

圖5 350 ℃仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

由圖4至圖6可以看出，表征參數(shù)仿真曲線與測試數(shù)據(jù)吻合較好，鋁合金材料的塑性性能表征參數(shù)較為準(zhǔn)確。

3 活塞鋁合金材料低周疲勞性能表征研究

對于低周疲勞壽命預(yù)測的能量法則，國內(nèi)外已有相當(dāng)?shù)难芯?，并提出了相?yīng)的模型。目前，低周疲勞壽命預(yù)測的能量模型主要有3類：塑性應(yīng)變理論、總應(yīng)變能量理論和耗散能理論。

本研究采用塑性應(yīng)變能理論進行活塞鋁合金材料的低周疲勞性能表征，塑性應(yīng)變能密度與疲勞壽命之間滿足如下關(guān)系式[7]：

WP=CNfa。

(9)

式中：WP為塑性應(yīng)變能密度；Nf為疲勞壽命；a與C為材料常數(shù)。

基于塑性應(yīng)變能理論進行低周疲勞壽命預(yù)測時，需首先根據(jù)材料疲勞性能數(shù)據(jù)來確定常數(shù)a與C，然后再根據(jù)活塞的塑性應(yīng)變與應(yīng)力曲線求解塑性應(yīng)變能，進而根據(jù)式(9)開展低周疲勞壽命預(yù)測?；钊X合金材料在不同溫度及應(yīng)變幅下的低周疲勞壽命見圖7。

圖7 活塞鋁合金材料低周疲勞壽命與應(yīng)變幅關(guān)系

針對材料低周疲勞試驗性能數(shù)據(jù)，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下繪制鋁合金材料的塑性應(yīng)變能與壽命關(guān)系曲線，如圖8所示?？梢钥闯?，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，同一溫度下材料的塑性應(yīng)變能與低周疲勞壽命呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

圖8 雙對數(shù)坐標(biāo)系下鋁合金材料塑性應(yīng)變能與 低周疲勞壽命的關(guān)系

通過最小二乘法擬合，可得到在不同溫度下鋁合金材料的材料常數(shù)，如表2所示。

表2 不同溫度下鋁合金材料常數(shù)表征

4 活塞低周疲勞壽命預(yù)測

在柴油機臺架考核試驗中，通過怠速工況與標(biāo)定工況的交替變化，完成一個低周疲勞考核循環(huán)，來對活塞進行低周疲勞考核[12-13](見圖9)。每個低周循環(huán)的周期由考核規(guī)范所確定，本研究在分析時定義一個低周循環(huán)的周期為6 min，標(biāo)定工況和怠速工況各3 min。

以柴油機結(jié)構(gòu)、性能及試驗參數(shù)為依據(jù)，采用GT-power軟件開展性能模擬，得到了柴油機在標(biāo)定及怠速工況下燃燒室每循環(huán)載荷特性(見圖10)。

圖9 柴油機低周疲勞考核工況

圖10 柴油機一個循環(huán)內(nèi)燃燒室載荷特性

活塞低周承載特性仿真計算模型包括鋁合金活塞本體及鑄鐵鑲?cè)Γ嬎憔W(wǎng)格模型如圖11所示。

圖11 活塞有限元網(wǎng)格模型

考慮活塞鋁合金材料的塑性性能(見表1)，基于柴油機低周疲勞考核工況(見圖9)及燃燒室載荷特性(見圖10)，開展柴油機低周疲勞考核工況下活塞的溫度場及應(yīng)力應(yīng)變仿真。為了使溫度及應(yīng)力應(yīng)變達到穩(wěn)定，共進行了5個周期的計算?；钊紵液砜诓课粶囟茸兓鐖D12所示，燃燒室喉口部位應(yīng)力及塑性應(yīng)變關(guān)系如圖13所示，活塞等效塑性應(yīng)變?nèi)鐖D14所示。活塞溫度及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化趨勢均與文獻[14]相一致。

由圖13可以看出，活塞滯后回線在不斷變化，但隨著周期的增加，逐漸趨于穩(wěn)定，第4、第5滯后回線幾乎重合，因此本研究取第5個周期的滯后回線進行活塞低周疲勞的評估。

圖12 變工況下活塞燃燒室喉口部位溫度變化

圖13 燃燒室喉口部位應(yīng)力及塑性應(yīng)變關(guān)系

圖14 活塞等效塑性應(yīng)變分布

活塞頂部及振蕩油腔的高溫部位是低周疲勞考核的重點。根據(jù)活塞溫度及應(yīng)力應(yīng)變載荷特性選取特征點，進行活塞低周疲勞壽命預(yù)測，活塞低周疲勞特征點選取如圖15所示。

圖15 活塞低周疲勞考核特征點

選取活塞應(yīng)力應(yīng)變曲線中最后一個周期計算特征點處的塑性應(yīng)變能，其中特征點1的應(yīng)力與塑性應(yīng)變關(guān)系如圖16所示，每個特征點的塑性應(yīng)變與應(yīng)力形成一個近似封閉的環(huán)。該環(huán)所圍成的面積即為塑性應(yīng)變能，其物理意義表示損傷過程中塑性功的累積。通過編制程序計算各特征點處的塑性應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系曲線所圍成的面積，可得到各特征點處的塑性應(yīng)變能密度，通過式(9)及表2可得到各特征點的低周疲勞壽命?；钊魈卣鼽c的溫度、塑性應(yīng)變能及壽命如表3所示。

圖16 特征點1塑性應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系

表3 活塞特征點低周疲勞壽命

由表3可知，鋁合金活塞特征點1及特征點3低周疲勞壽命最小，兩特征點均位于活塞燃燒室喉口部位，為活塞的低周疲勞危險點。此部位應(yīng)為活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計時重點考慮及優(yōu)化部位，此部位的溫度及應(yīng)力應(yīng)變性能也是活塞鋁合金材料的重要考核指標(biāo)。

5 結(jié)束語

開展了活塞鋁合金材料的低周疲勞性能試驗，采用Ramberg-Osgood模型對材料半壽命周期時的循環(huán)滯回環(huán)進行了表征，得到的鋁合金材料塑性性能經(jīng)仿真驗證與試驗值吻合良好，可以用來進行活塞低周承載特性仿真分析。采用塑性應(yīng)變能理論，對活塞鋁合金材料的低周疲勞特性進行了表征，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下，同一溫度下鋁合金材料塑性應(yīng)變能與低周疲勞壽命呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。根據(jù)柴油機低周疲勞考核工況，開展了活塞的低周非線性承載特性仿真計算，根據(jù)活塞在各特征點的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線開展了疲勞壽命預(yù)測，結(jié)果表明溫度最高的燃燒室喉口部位低周疲勞壽命最小，為活塞的低周疲勞危險部位,應(yīng)予以重點關(guān)注。