基于試驗和仿真的缸蓋疲勞耐久性研究

汪凱 王艷軍 陳明

摘要：以發(fā)動機缸蓋疲勞耐久性設計為研究對象，對缸蓋材料進行不同溫度下的疲勞測試，獲取詳細的缸蓋高、低周疲勞材料屬性，然后結合CAE疲勞分析方法和理論，進行缸蓋金屬溫度場仿真、高周疲勞分析和低周疲勞壽命預測。該缸蓋疲勞分析方法結果可靠，可有效指導缸蓋疲勞耐久性設計和優(yōu)化。

關鍵詞：缸蓋;溫度場;疲勞試驗;高周疲勞;低周疲勞

中圖分類號：U464.132;TP391.97文獻標志碼：B

0引言

缸蓋是發(fā)動機的關鍵組成部件，結構復雜、工作環(huán)境惡劣，其可靠性和安全性直接決定發(fā)動機的壽命。缸蓋燃燒室與活塞和機體缸套共同組成發(fā)動機燃燒和做功的空間，氣體在此空間燃燒時會產生較高的溫度和爆發(fā)壓力。

在高溫環(huán)境中，缸蓋的材料性能會明顯下降;當發(fā)動機工況變化時，高低溫交替變化會產生熱載荷;同時，缸蓋還承受爆發(fā)壓力產生的循環(huán)機械載荷：缸蓋耐久性與可靠性受熱負荷和機械載荷的綜合影響，并且是流場、溫度場和應力場等多個物理場共同作用的結果。因此，缸蓋的疲勞分析尤為復雜和重要。確保缸蓋的疲勞耐久性、準確預測缸蓋安全壽命可指導其耐久性設計，這在國內外都是一項值得研究的重要課題。本文以發(fā)動機缸蓋為研究對象，對缸蓋材料疲勞試驗和仿真工作進行系統總結。

1 缸蓋疲勞失效概述

疲勞失效的形式有很多種，按疲勞斷裂失效的循環(huán)次數可以將疲勞失效分為高周疲勞和低周疲勞2類。一般來說，汽油機缸蓋會同時涉及到這2種疲勞失效形式。

缸蓋高周疲勞主要指發(fā)動機在某一工況下穩(wěn)定工作之后，以發(fā)動機的工作循環(huán)作為一個疲勞循環(huán)的疲勞。此時，發(fā)動機達到相對的熱平衡狀態(tài)，各零部件的溫度變化較小，缸蓋各區(qū)域的溫度也趨于穩(wěn)定。在這種工況下，缸蓋的疲勞損傷主要是發(fā)動機在運行中每個做功循環(huán)內爆壓的循環(huán)變化引起的機械損傷。這種由爆壓變化引起的循環(huán)應力變動相對較小，循環(huán)次數較多，因此屬于高周疲勞。高周疲勞一般可采用應力疲勞理論進行研究。

缸蓋低周疲勞主要發(fā)生在發(fā)動機啟停機或者變負荷工況下，此時發(fā)動機的熱負荷出現大幅升高或者降低，使得缸蓋的熱應力發(fā)生較大變化。在這種劇烈的交變應力作用下，缸蓋受熱區(qū)域產生微觀塑性變形，從而出現熱疲勞。這種疲勞應力的變化幅度較大，缸蓋能承受的循環(huán)次數相對較少，因此屬于低周疲勞。低周疲勞一般可采用應變疲勞理論進行研究。

因為缸蓋具有復雜的熱-機械耦合疲勞問題，所以需要對整個發(fā)動機進行疲勞耐久試驗，試驗周期長、費用高，不利于進行缸蓋疲勞耐久性設計與研究。隨著計算機應用技術和有限元理論的發(fā)展，越來越多的學者在相關疲勞試驗的基礎上運用CAE疲勞分析技術對關鍵零部件進行疲勞強度設計和壽命分析，具體的分析流程見圖1。該分析方法可以大大提高零件在疲勞耐久試驗中的通過率，節(jié)省開發(fā)費用和提高開發(fā)效率。

2 缸蓋材料疲勞試驗

缸蓋材料疲勞試驗主要包括單向拉伸試驗、高周疲勞試驗和低周疲勞試驗。由于輕量化和節(jié)能減排等要求，缸蓋普遍采用鑄造鋁合金材料。

受試驗設備的制約，常溫下對鋁合金的材料性能進行研究較容易，高溫下的研究較少。但是，缸蓋工作時各區(qū)域的溫度跨度較大，比如水套側和進氣側溫度相對較低，而燃燒室和排氣側溫度相對較高，因此在對缸蓋材料進行研究時，考慮不同溫度下的材料特性才更有意義，所以有必要對鋁合金材料進行高溫疲勞試驗。高溫疲勞試驗的試驗機和高溫爐見圖2。

2.1 不同溫度下的鋁合金單向拉伸試驗

根據缸蓋實際工作時可能出現的溫度變化，選取幾個溫度對缸蓋鋁合金材料進行單向拉伸試驗。試驗可以獲得不同溫度下缸蓋材料的基本力學性能指標，如彈性模量、屈服強度、抗拉強度、斷裂延伸率和應力-應變曲線等，為后續(xù)運用有限元模型進行應力-應變分析提供基本的材料參數。不同溫度下缸蓋材料的彈性模量見圖3。由此可以看出，隨著溫度的不斷升高，缸蓋鑄鋁材料的彈性模量呈下降趨勢。

2.2 不同溫度下的高周疲勞試驗

高周疲勞試驗可以獲得材料的疲勞極限和S-N曲線。疲勞試驗需要大量費用和時間，因此一般只做對稱循環(huán)應力（應力比R=-1）下標準試件的疲勞曲線。應力比R的定義為

式中：δ_min和δ_mix分別為應力循環(huán)中的最小應力和最大應力。

在拉壓載荷（R=-1）作用下，對不同溫度的缸蓋材料進行等溫高周疲勞試驗，每組試件個數為18個。試驗完成后，以應力幅δ為縱坐標、疲勞壽命N_f為橫坐標，用最佳擬合法繪制該溫度下的S-N曲線并提取疲勞極限。該缸蓋材料在270℃下的S-N曲線見圖4。

2.3 不同溫度下的低周疲勞試驗

低周疲勞又稱應變疲勞，其基本的材料曲線是應變-壽命曲線。常見的應變-壽命數學表達方式是Manson-Coffin應變-壽命方程，即

對不同溫度下的缸蓋材料進行等溫低周疲勞試驗，試驗時采用三角波進行等幅應變控制，每個溫度下至少進行6根鑄鋁合金試樣測試。試驗得到200℃下該缸蓋材料的低周疲勞應變-壽命曲線，見圖5。

3 缸蓋金屬溫度場分析

3.1 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)金屬溫度場

發(fā)動機工作時產生的高溫和爆發(fā)壓力是影響缸蓋疲勞的2個主要因素，準確模擬缸蓋金屬溫度場是缸蓋疲勞分析的基礎。缸蓋金屬溫度場分析主要分為穩(wěn)態(tài)溫度場和瞬態(tài)溫度場2種。

缸蓋穩(wěn)態(tài)金屬溫度場分析通常采用第三類邊界條件，見式（3）。將近壁面流體的溫度和對流換熱系數作為熱邊界施加給缸蓋，以此計算金屬溫度場。

3.2熱邊界條件

缸蓋金屬溫度場分析的熱邊界條件主要包括油側、水側和氣側等3種。油側熱邊界條件主要是發(fā)動機與機油接觸面的換熱，通常采用經驗值模擬。機油溫度取許用的最高溫度140℃，換熱系數取130W/（m²·K）。

水側熱邊界條件主要是缸蓋機體水套的換熱，采用STAR-CCM+軟件計算獲得，包括冷卻水溫度和換熱系數。某發(fā)動機缸蓋水套熱邊界條件映射結果見圖6。

氣側熱邊界條件主要包括燃燒室、排氣道和空氣側的熱邊界條件。燃燒室的熱邊界由發(fā)動機缸內流體力學專業(yè)軟件CONVERGE分析完成，排氣道熱邊界由STAR-CCM+軟件計算獲得?？諝鈧鹊臒徇吔缫话闳〗涷炛担諝鉁囟热?5℃，換熱系數取50W/（m²·K）。

3.3 缸蓋金屬溫度場分析結果

金屬溫度場分析完成后，查看各零部件的溫度，重點查看缸蓋火焰面、排氣道和水套等區(qū)域的溫度分布，對溫度較高的區(qū)域進行適當優(yōu)化。某發(fā)動機缸蓋額定功率點工況水套的溫度分布見圖7。

完成瞬態(tài)金屬溫度場分析后，查看缸蓋火焰面溫度隨時間變化情況，見圖8。在開發(fā)后期進行發(fā)動機金屬溫度場試驗，并將測試值與CAE仿真值進行對比，誤差應當在10%以內。

4 缸蓋高周疲勞分析

溫度場分析完成后，進行缸蓋高周疲勞分析。在疲勞分析前需要先進行靜強度分析，以獲取缸蓋工作時的應力和應變。在靜強度分析時，輸入的材料參數應該隨溫度變化，參考前文試驗獲得的不同溫度下的彈性模量、應力-應變曲線等。

缸蓋高周疲勞分析時的主要載荷包括螺栓預緊力、導管過盈量、座圈過盈量、溫度載荷和缸內爆發(fā)壓力等，分析采用的具體輸入參數見表1。具體的分析工況主要考慮裝配和額定功率點四缸輪流點火。

在缸蓋應力-應變分析完成后，將分析結果導人專業(yè)的疲勞分析商業(yè)軟件FEMFAT中，進行后續(xù)的高周疲勞分析。在各工況下，缸蓋水套上某點的應力變化見圖9。根據上述工作循環(huán)的應力變化，計算缸蓋的平均應力和應力幅。

除上述分析結果外，缸蓋高周疲勞分析時還需要輸入不同溫度下缸蓋材料的疲勞強度（包括拉伸、壓縮、彎曲和剪切等狀態(tài)）和S-N曲線，并綜合考慮溫度、表面粗糙度和存活率等計算因素。在分析完成后查看缸蓋各區(qū)域的疲勞安全系數，分析結果是否滿足設計要求。某缸蓋高周疲勞安全系數分析結果見圖10。

5 缸蓋低周疲勞分析

缸蓋低周疲勞主要是模擬冷熱沖擊工況，一般參考發(fā)動機冷熱沖擊循環(huán)工況進行計算設置，主要以溫度為變量，重點分析缸蓋火焰面、排氣道及其附近的水套的疲勞壽命。

先進行瞬態(tài)溫度場和應力-應變分析，瞬態(tài)分析工況示意見圖11。瞬態(tài)分析工況主要包括5個循環(huán)，每個循環(huán)大致包括升溫、高溫保持、降溫和低溫保持4個階段，高溫和低溫工況一般分別選取額定功率點和怠速工況。

應力-應變分析完成后，將最后一個穩(wěn)定循環(huán)的分析結果導人疲勞分析軟件中，進行缸蓋低周疲勞壽命評估。同時，在缸蓋材料模塊中輸入不同溫度下低周疲勞的各項參數。低周疲勞分析結果一般用循環(huán)壽命進行評價。某缸蓋火焰面低周疲勞分析計算結果（取對數值）見圖12。

缸蓋火焰面各區(qū)域的疲勞壽命滿足分析要求，火花塞孔、噴油器孔和進排氣鼻梁區(qū)附近的疲勞壽命相對較低。該缸蓋能順利通過后期各項開發(fā)試驗驗證，試驗完成后的缸蓋火焰面見圖13。

6 結束語

對不同溫度下缸蓋材料的疲勞性能進行試驗，了解缸蓋疲勞破壞機理，獲取大量的實測試驗數據，建立缸蓋疲勞的材料數據庫。在此基礎上，結合疲勞分析理論，通過CAE疲勞分析方法，準確預測缸蓋疲勞壽命的薄弱之處，指導缸蓋正向開發(fā)和優(yōu)化設計。本文方法已應用于多個發(fā)動機缸蓋項目開發(fā)并成功解決工程問題。