發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件金屬材料隨溫度變化性能測(cè)試

曹文霞，范習(xí)民

1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 231603；2.安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)很多部件在工作過(guò)程中承受較高的溫度，如缸蓋、缸體、缸套、氣門(mén)系統(tǒng)與排氣歧管等,其匹配間隙設(shè)計(jì)必須考慮金屬材料性能隨溫度變化的規(guī)律，一旦匹配間隙設(shè)計(jì)不合理發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞損傷，容易導(dǎo)致漏氣、摩擦損失增加、功率降低、結(jié)構(gòu)失效等故障[1]。在發(fā)動(dòng)機(jī)正向設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要基于計(jì)算機(jī)輔助工程(computer aided engineering，CAE)對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行熱-固耦合和低周疲勞分析，評(píng)估結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力、熱膨脹配合、密封性、高周疲勞安全系數(shù)等關(guān)鍵性能[2]。該類(lèi)分析需要輸入隨溫度變化的應(yīng)力-應(yīng)變性能參數(shù)，熱傳導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹系數(shù)等材料性能參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)零部件供應(yīng)商無(wú)法準(zhǔn)確提供此類(lèi)參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)也無(wú)相關(guān)詳細(xì)數(shù)據(jù)。為滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)的需要，獲得多種發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件隨溫度變化的性能參數(shù)，建立零部件熱-固耦合CAE分析材料數(shù)據(jù)庫(kù)非常重要。

本文中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、活塞、排氣歧管等受溫度影響較大的零部件材料進(jìn)行隨溫度變化的力學(xué)性能測(cè)試以及熱物性測(cè)試，研究它們隨溫度變化的規(guī)律，為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)初期的熱-固耦合和高、低周疲勞分析提供精確參數(shù)，避免可能產(chǎn)生的氣門(mén)座圈脫落、高周或低周疲勞失效、漏氣、螺栓受熱松動(dòng)脫落等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1 測(cè)試方案

1.1 測(cè)試內(nèi)容

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、活塞、排氣歧管等多種受溫度影響較大的部件材料進(jìn)行隨溫度變化的力學(xué)性能測(cè)試以及熱物性能測(cè)試，其中包括AC4B、AC4CH、AlSi7Mg、AlSi9Cu3(Fe)、HT250、AA319-1等缸蓋材料，AC8R和AC8AH等常用活塞材料，蠕鐵TL047-SiMo4.5、GGGSiMo51等排氣歧管材料。

1.2 取樣方式

以AC4B缸蓋作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)前期，測(cè)試本機(jī)取樣和澆鑄取樣2種取樣方式對(duì)材料性能的影響，結(jié)果如表1所示。由表1可知，鋁合金材料的取樣方式對(duì)材料性能影響非常大，兩種不同取樣方式的AC4B熱膨脹系數(shù)離散率達(dá)到7.7%，本文中所有測(cè)試材料都采取本機(jī)取樣。

表1 缸蓋 AC4B澆鑄和本機(jī)取樣熱膨脹系數(shù)對(duì)比

2 金屬材料隨溫度變化性能測(cè)試

2.1 力學(xué)性能

根據(jù)零部件在最?lèi)毫迎h(huán)境下的工作溫度設(shè)定不同部件材料測(cè)試溫度范圍，其中缸體、缸蓋等大部分零部件材料最高測(cè)試溫度設(shè)定為400 ℃，排氣歧管材料最高測(cè)試溫度設(shè)定為1000 ℃。根據(jù)從起始測(cè)試的20 ℃到最高測(cè)試溫度以及測(cè)試精度要求，確定5～8個(gè)測(cè)試溫度點(diǎn)。

測(cè)試規(guī)范主要依據(jù)文獻(xiàn)[3-4]。

根據(jù)預(yù)估的測(cè)試材料力學(xué)性能范圍，制作不同的標(biāo)準(zhǔn)試樣，其中排氣歧管材料SiMo4.5的拉伸試樣如圖1所示。低于500 ℃的試樣，L0=80 mm，D=16 mm，d0=10 mm；高于500 ℃的試樣，L0=80 mm，D=11 mm，d0=8 mm。

圖1 SiMo4.5的拉伸試件

試件所受實(shí)際應(yīng)力

F=LCs，

(1)

式中：L為試件末端位移幅值，Cs為位移應(yīng)力系數(shù)。

試驗(yàn)中通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制試件末端位移幅值來(lái)間接控制試驗(yàn)應(yīng)力。試件位移應(yīng)力系數(shù)

Cs=βEφ(L1,L2),

(2)

式中：β為與試件尺寸和聲學(xué)性能相關(guān)的參數(shù)，E為彈性模量，φ(L1,L2)為試件相關(guān)幾何尺寸的函數(shù)。

式(2)的假設(shè)前提是E為常數(shù)。彈性模量在常溫環(huán)境下可視為常數(shù)，但試件在感應(yīng)加熱下的溫度非均勻分布，而彈性模量又與試件溫度有關(guān)，因此，試件彈性模量在高溫環(huán)境下不是常數(shù)，通過(guò)式(2)不能得到精確的位移應(yīng)力系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，材料彈性模量與溫度間的關(guān)系為：

E=212.48-0.124t，

(3)

式中：t為溫度，℃。

采用紅外測(cè)溫儀測(cè)得材料拉伸試件在高溫下的溫度分布，代入式(3)可得試件的彈性模量[6]。

根據(jù)測(cè)試需要，對(duì)MTS 809試驗(yàn)機(jī)和MTS 810試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，增加加熱及控制設(shè)施，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)金屬材料隨溫度變化力學(xué)性能測(cè)試。

以材料SiMo4.5為例，力學(xué)性能測(cè)試后得到SiMo4.5隨溫度變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 SiMo4.5隨溫度變化的應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖2可知，材料SiMo4.5耐溫性能強(qiáng)，低于 900 ℃，應(yīng)力在不同的應(yīng)變區(qū)間內(nèi)線性范圍仍然非常寬，至1000 ℃時(shí)，線性范圍急劇變窄。因此，材料的許用溫度建議控制在低于950 ℃。

SiMo4.5隨溫度變化的力學(xué)性能如表2所示。

表2 SiMo4.5隨溫度變化的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，SiMo4.5的屈服強(qiáng)度隨溫度變化的擬合多項(xiàng)式為：

y=9.05×10-9x4-1.62×10-5x3+8.66×10-3x2-1.75×10-9x+499.27。

(4)

SiMo4.5屈服強(qiáng)度隨溫度變化的擬合曲線如圖3所示。由圖3可知，SiMo4.5的屈服強(qiáng)度隨著溫度增高而顯著下降。為了滿(mǎn)足CAE分析的收斂性以及材料性能輸入的便捷性，根據(jù)式(4)進(jìn)行材料屈服強(qiáng)度隨溫度變化的標(biāo)定。

圖3 SiMo4.5隨溫度變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 材料隨溫度變化熱物性能

使用NETZSCH LFA457激光熱導(dǎo)儀，根據(jù)文獻(xiàn)[7]相關(guān)要求，進(jìn)行隨溫度變化導(dǎo)熱系數(shù)和比熱性能測(cè)試。使用美國(guó)TA TMA Q400EM靜態(tài)熱機(jī)械分析儀，根據(jù)文獻(xiàn)[8]進(jìn)行隨溫度變化的熱膨脹系數(shù)測(cè)試。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得材料AC4CH導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 AC4CH隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線

3 實(shí)例研究

缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷最高的零部件之一。隨著對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度要求的提高和渦輪增壓、輕量化設(shè)計(jì)等技術(shù)的引入，缸蓋的疲勞失效問(wèn)題受到學(xué)者們的關(guān)注[9-10]。以金屬材料隨溫度變化性能參數(shù)在缸蓋的熱-固耦合及低周疲勞分析中的應(yīng)用為例，探討所得測(cè)試數(shù)據(jù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的適用性。

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)—工作—停止(起停循環(huán))過(guò)程中，缸蓋被急劇加熱和冷卻，并在燃燒室火力面產(chǎn)生較大循環(huán)熱應(yīng)力負(fù)荷，受到低周熱疲勞損傷。缸蓋火力面的低周疲勞壽命成為制約缸蓋可靠性的薄弱環(huán)節(jié)[11-12]。

缸蓋的CAE分析關(guān)鍵步驟為：利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)獲得熱邊界，再使用Abaqus軟件，輸入材料隨溫度變化的彈性模量、泊松比、膨脹系數(shù)、密度、比熱容和塑性材料的應(yīng)力、應(yīng)變，進(jìn)行熱-固耦合分析；在此基礎(chǔ)上，使用疲勞分析軟件，進(jìn)行高周疲勞和低周疲勞分析[13-14]。

目前，國(guó)內(nèi)零部件供應(yīng)商無(wú)法準(zhǔn)確提供此類(lèi)金屬材料隨溫度變化的力學(xué)性能參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)也無(wú)相關(guān)詳細(xì)數(shù)據(jù)，通常以軟件供應(yīng)商提供的國(guó)外類(lèi)似材料的性能參數(shù)為依據(jù)。為研究性能參數(shù)適用性，對(duì)某缸內(nèi)直噴汽油機(jī)分別使用AVL數(shù)據(jù)庫(kù)中AC4CH的材料性能參數(shù)和實(shí)際測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)，進(jìn)行缸蓋熱應(yīng)力仿真對(duì)比分析，結(jié)果如圖5、6所示。由圖5、6可知，基于AVL數(shù)據(jù)庫(kù)存和測(cè)試數(shù)據(jù)的缸蓋最高仿真溫度分別為244.0 ℃和171.4 ℃。

圖5 基于AVL數(shù)據(jù)庫(kù)獲得的缸蓋溫度分布 圖6 基于測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的缸蓋溫度分布

在缸蓋鼻梁區(qū)布置溫度傳感器，進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示。由測(cè)量結(jié)果可知：額定轉(zhuǎn)速工況下，缸蓋鼻梁區(qū)最大負(fù)荷點(diǎn)的最高溫度為175.4 ℃，與基于測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果更接近，且在鋁合金缸蓋承受的溫度范圍內(nèi)，缸蓋材料力學(xué)性能滿(mǎn)足要求。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋鼻梁區(qū)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

由此可見(jiàn)，由于金屬材料成分、生產(chǎn)工藝差異，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的金屬材料性能隨溫度變化存在差異。為降低該差異對(duì)分析和設(shè)計(jì)的影響，進(jìn)行零部件熱-固耦合、高低周疲勞分析時(shí)，應(yīng)采用材料的實(shí)際測(cè)試性能參數(shù)作為輸入。

4 結(jié)語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中承受交變的環(huán)境溫度和載荷作用，在設(shè)計(jì)初期通過(guò)CAE、CFD等分析方法，進(jìn)行相關(guān)熱-固耦合、高低周疲勞分析，可避免可能產(chǎn)生的氣門(mén)座圈脫落、熱畸變引起的刮擦、高周或低周疲勞失效、漏氣、螺栓受熱松動(dòng)脫落等潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于金屬材料成分、生產(chǎn)工藝差異，會(huì)導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的金屬材料隨溫度變化的性能有所差異，應(yīng)采用材料的實(shí)際測(cè)試性能參數(shù)作為相關(guān)分析的輸入。