發(fā)動機(jī)缸蓋低周疲勞損傷模型的建立與應(yīng)用

張福明 范凱新 郝佳勝 汪記偉

（寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336）

引言

直噴增壓發(fā)動機(jī)缸蓋在高溫和低溫循環(huán)交替的條件下，會處于一種屈服工作狀態(tài)，經(jīng)常會在燃燒室部位產(chǎn)生疲勞裂紋。若是設(shè)計(jì)方法不合理，會在發(fā)動機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)中以及后期市場使用中出現(xiàn)破壞。

目前，在產(chǎn)品開發(fā)前，可通過仿真分析方法來預(yù)測氣缸蓋是否可以承受高低溫沖擊[1-3]，并能預(yù)測缸蓋的疲勞安全系數(shù)[4-7]。本文基于實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)流程，結(jié)合臺架試驗(yàn)與市場車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，提前預(yù)測缸蓋的市場實(shí)際壽命，指導(dǎo)試驗(yàn)開發(fā)。

1 發(fā)動機(jī)缸蓋低周疲勞損傷模型

當(dāng)載荷超過σe時(shí)，工程材料和構(gòu)件將產(chǎn)生永久性的變形，即在載荷消除后將產(chǎn)生不可逆變形。在接近甚至超過其屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力作用下，塑性應(yīng)變循環(huán)所造成的疲勞（如102～105）被稱為低周疲勞。低周疲勞中，應(yīng)力和應(yīng)變的問題相應(yīng)地變得復(fù)雜，而不是簡單的線性彈性變化。

基于損傷累積的Miner 理論以其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。由于Miner 公式的計(jì)算結(jié)果在某些情況下不盡人意，許多科技工作者曾作了大量的研究，提出幾種累積損傷理論，但都因其局限性未能推廣。但Miner 線性累積損傷理論仍是目前應(yīng)用最廣泛的理論。

局部應(yīng)力-應(yīng)變方法是一種基于危險(xiǎn)部件在加載過程中的局部應(yīng)力、應(yīng)變疲勞壽命的估算方法。它抓住了疲勞損傷的本質(zhì)—塑性變形，認(rèn)為疲勞損傷過程就是塑性變形累積到一定量時(shí)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。Manson-Coffin 公式是局部應(yīng)力應(yīng)變法中著名的應(yīng)變-壽命關(guān)系式[8-10]。

本文應(yīng)用Miner 線性累積損傷理論和Manson-Coffin 公式模型。

得出市場運(yùn)行工況和臺架試驗(yàn)工況的每小時(shí)缸蓋低周疲勞相對損傷模型方程為：

式中：ttot為總試驗(yàn)或參考循環(huán)持續(xù)時(shí)間；k 為疲勞系數(shù)；TCj為負(fù)載循環(huán)的零部件溫度振幅。

1.1 雨流法與MATLAB 計(jì)算

將應(yīng)變-時(shí)間歷程數(shù)據(jù)記錄按順時(shí)針轉(zhuǎn)過90°，此時(shí)，時(shí)間坐標(biāo)豎直向下，記錄采集的數(shù)據(jù)猶如層層堆疊的屋面，雨水沿著屋面依次流下，故此種數(shù)據(jù)整理方法被稱為“雨流計(jì)數(shù)法”。

三點(diǎn)循環(huán)計(jì)數(shù)法的計(jì)算原理如下：取三個出現(xiàn)在載荷-時(shí)間歷程上連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，來判斷其是否可以組成循環(huán)。三個連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)（S1，S2，S3）分別定義了兩個連續(xù)區(qū)間ΔS1=|S1-S2|，ΔS2=|S2-S3|。如果ΔS1≤ΔS2，則從S1到S2記錄為1cycle；如果ΔS1＞ΔS2，則無循環(huán)計(jì)數(shù)。三點(diǎn)循環(huán)法需要在分析之前獲得所有的載荷歷史數(shù)據(jù)，重建載荷歷史，使其僅包括峰谷，并從最高峰或最低谷出發(fā)。然后采用循環(huán)識別方法，每隔三個連續(xù)點(diǎn)進(jìn)行檢查，直到完全確定閉合循環(huán)。去掉已經(jīng)形成循環(huán)的兩個點(diǎn)，將剩下的點(diǎn)再相連接。

本文采用MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)雨流法，得出負(fù)載循環(huán)中的缸蓋火力面的溫度幅值。

1.2 計(jì)算需求參數(shù)

計(jì)算所需參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算所需參數(shù)表

零部件溫度的獲取途徑主要通過整機(jī)溫度場試驗(yàn)直接獲取試驗(yàn)過程中的缸蓋火力面的溫度變化。并將相關(guān)參數(shù)代入如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

2 冷熱沖擊試驗(yàn)與發(fā)動機(jī)整機(jī)溫度場試驗(yàn)

2.1 冷熱沖擊試驗(yàn)工況對比

發(fā)動機(jī)在實(shí)際使用過程中，要經(jīng)歷不計(jì)其數(shù)次起、停循環(huán)及負(fù)載的變化，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷產(chǎn)生劇烈變化，缸蓋是最容易受到損傷的重要零部件。常見的缸蓋低周疲勞失效模式為缸墊處潤滑油泄漏，火花塞孔及鼻梁區(qū)開裂等，如圖1～3 所示。通常冷熱沖擊試驗(yàn)是驗(yàn)證缸蓋低周疲勞最有效的試驗(yàn)方法之一。在企業(yè)實(shí)際開發(fā)流程中，存在兩種不同冷熱沖擊試驗(yàn)工況（以下分別簡稱為試驗(yàn)工況一和試驗(yàn)工況二，如表2 和表3 所示），對試驗(yàn)評價(jià)體系造成一定程度的困擾，無法用同一個試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)不同的產(chǎn)品之間的差別。

表2 試驗(yàn)工況一

表3 試驗(yàn)工況二

圖1 缸墊滲油

試驗(yàn)工況一檢驗(yàn)零部件對高低溫瞬間變化的承受能力，通常會發(fā)生缸蓋火花塞孔開裂，缸墊潤滑油泄漏等故障。

試驗(yàn)工況二主要驗(yàn)證發(fā)動機(jī)機(jī)體以及缸墊所能承受冷熱沖擊的能力，每循環(huán)24 min，共計(jì)1 000 個循環(huán)。

圖2 缸蓋鼻梁區(qū)開裂

圖3 火花塞孔開裂

試驗(yàn)結(jié)果對比：兩種冷熱沖擊的缸蓋最高溫度接近，最低溫度試驗(yàn)工況二由于冷沖擊水溫低，因而缸蓋溫度更低。

2.2 缸蓋間鼻梁區(qū)溫度測量

發(fā)動機(jī)在臺架安裝后如圖4 所示。在不同試驗(yàn)工況下測量出排氣側(cè)鼻梁區(qū)的溫度，如圖5 所示。結(jié)合缸蓋低周疲勞相對損傷模型，輸入測量的實(shí)際零部件的溫度，計(jì)算出兩種不同冷熱沖擊試驗(yàn)工況下的相對損傷。

圖4 溫度場試驗(yàn)臺架布置

圖5 缸蓋鼻梁區(qū)測溫示意圖

根據(jù)實(shí)際的測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行每小時(shí)缸蓋低周疲勞相對損傷計(jì)算，結(jié)果如表5 所示。

表5 兩種試驗(yàn)工況表

3 000 次和400 h 冷熱沖擊試驗(yàn)MATLAB 計(jì)算結(jié)果分別如圖6、7 所示。

表4 兩種試驗(yàn)工況對比表

圖6 3 000 次冷熱沖擊試驗(yàn)MATLAB 計(jì)算結(jié)果

圖7 400 h 冷熱沖擊試驗(yàn)MATLAB 計(jì)算結(jié)果

3 市場工況與臺架工況損傷對比分析

結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行工況，通過OBD 診斷接口采集發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)，形成整車路譜。同樣，采用缸蓋低周疲勞相對損傷模型計(jì)算出實(shí)際路譜的相對損傷量，如圖8 所示。臺架與整車損傷對比如表6 所示。

圖8 整車工況MATLAB 計(jì)算結(jié)果

表6 臺架與整車損傷對比表

計(jì)算結(jié)果表明，試驗(yàn)工況一相對損傷量是整車45×104km 相對損傷量的120 倍，臺架試驗(yàn)工況缸蓋相對損傷量遠(yuǎn)大于整車質(zhì)保里程的缸蓋相對損傷量，臺架試驗(yàn)工況過于嚴(yán)格和苛刻，存在較大的優(yōu)化空間。

4 結(jié)論

本文利用缸蓋低周疲勞理論，建立了發(fā)動機(jī)缸蓋低周疲勞損傷相關(guān)模型，并借助建立的損傷模型計(jì)算出相對損傷量。采用MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)雨流法，得出負(fù)載循環(huán)中的缸蓋火力面的溫度幅值，結(jié)論如下：

1）兩種不同試驗(yàn)工況對比，每h 缸蓋相對損傷量試驗(yàn)工況一是試驗(yàn)工況二的2.1 倍；相對總損傷量試驗(yàn)工況一是試驗(yàn)工況二的1.6 倍。

2）對比臺架試驗(yàn)與市場運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)，此方法可以預(yù)測缸蓋的實(shí)際使用壽命，為臺架試驗(yàn)工況的制定提供重要的參考依據(jù)。

3）試驗(yàn)工況一相對損傷量是出租車45×104km相對損傷量的120 倍，臺架試驗(yàn)工況過于嚴(yán)格和苛刻，相對損傷量遠(yuǎn)大于整車質(zhì)保里程的缸蓋相對損傷量，從零部件驗(yàn)證相對合理的角度考慮，選取考核強(qiáng)度較弱的試驗(yàn)工況二作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以便形成驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)的唯一性。