不同循環(huán)工況對發(fā)動機缸蓋低周疲勞壽命的影響

路明，舒煒，郭小鳳，李云濤

1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江寧波 315336；2.重慶中煙工業(yè)有限責任公司，重慶 400060

0 引言

發(fā)動機氣缸蓋所受的載荷非常復雜。發(fā)動機臺架試驗表明，交變類的耐久試驗比恒定工況的耐久試驗更容易導致缸蓋開裂，這是由于溫度的周期變化導致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的熱應力，并且往往使缸蓋局部超過了屈服強度，發(fā)生了塑性變形，出現(xiàn)了低周疲勞開裂問題。低周裂紋出現(xiàn)的區(qū)域較小，只在一些塑性變形較大的位置出現(xiàn)，一般很難被發(fā)現(xiàn)。

在交變耐久臺架試驗中，循環(huán)工況的設(shè)置各不相同，為了研究各種循環(huán)工況對疲勞壽命的影響，本文利用有限元分析法，基于局部應力應變法，分析一個循環(huán)內(nèi)的相同溫差下不同溫度變化速率對疲勞壽命的影響，旨在為臺架試驗工況的選取提供參考。

1 瞬態(tài)溫度場分析

發(fā)動機缸蓋主要與高溫氣體、冷卻液以及潤滑油存在換熱，傳熱分析有限元模型如圖1所示，其部件主要包括缸體、缸蓋和氣門等。在進行流固耦合傳熱分析時，固體側(cè)與流體側(cè)遵循能量守恒定律，綜合Foutier導熱方程和流體對流換熱控制方程[1]，可得：

圖1 傳熱分析有限元模型

式中，Kcond為固體導熱系數(shù)，hconv為近壁面對流換熱系數(shù)，Tf為近壁面流體溫度，Tw為固體壁面溫度。

對于流體側(cè)，k-ε采用湍流模型進行換熱邊界計算，其湍動能方程為[2]：

式中，ρ為流體密度；k為湍動能；μ為流體動力學黏度；μt為湍流動力黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍動能項；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能項；ε為湍動能耗散率；σb為湍流普朗特數(shù)。

瞬態(tài)溫度場分析需要根據(jù)循環(huán)工況實際控制參數(shù)進行邊界條件狀態(tài)的選取，本文研究兩種循環(huán)工況對溫度場的影響，參數(shù)控制方式如圖2所示。影響溫度場結(jié)果的參數(shù)主要為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和出水口溫度，兩種工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制相同，一個循環(huán)包括360 s，在15 s內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速由怠速拉升到額定點，并保持到180 s，然后在15 s內(nèi)下降到怠速，再保持到循環(huán)結(jié)束。兩種工況一個循環(huán)內(nèi)出水口溫度溫差相同，最低溫度為30 ℃，最高溫度為110 ℃，主要區(qū)別在于工況1水溫變化更明顯，而工況2的水溫控制更平穩(wěn)，特別在上升段，水溫在180 s的時間內(nèi)緩慢地升到110 ℃。根據(jù)不同工況的控制情況，計算得到缸蓋的瞬態(tài)溫度場[3-5]。

圖2 不同工況下的參數(shù)控制方式

2 溫度結(jié)果對比

低周疲勞主要是由溫度的高低變化使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的塑性變形所致，應力分析依據(jù)瞬態(tài)溫度場的結(jié)果，主要考慮溫度的變化，本文不考慮缸內(nèi)燃氣壓力變化的影響。在燃燒室部位選取兩個特征點N147320和N143566（圖3），兩個節(jié)點的溫度歷程分別如圖4和圖5所示，可以看出，工況1的溫度迅速升到最高并保持，降溫的過程也比較劇烈，而工況2升溫和降溫段比較緩和，工況2的最高溫度和最低溫度都要比工況1大一些。其中，工況1兩節(jié)點最高溫度為173℃和188℃，最低溫度為50℃和63℃，溫差分別為123℃和125℃；工況2兩節(jié)點最高溫度為184℃和205℃，最低溫度為53℃和69℃，溫差分別為131℃和136℃。兩種工況溫差幾乎一致。

圖3 燃燒室部位關(guān)注節(jié)點

圖4 節(jié)點N147320溫度歷程

圖5 節(jié)點N143566溫度歷程

在排氣部位取一個特性點N126946（圖6），溫度歷程如圖7所示，工況1、工況2最高最低溫度均相差不多，最高溫度在149℃，但工況1的高溫區(qū)更長一些。

圖6 排氣部位所取節(jié)點

圖7 節(jié)點N126946溫度歷程

3 應力應變及疲勞壽命結(jié)果對比

節(jié)點N143566在工況1、工況2下的應力歷程分別如圖8和圖9所示，兩種工況應力趨勢相同，在前半個循環(huán)壓應力占主導，最大主應力幾乎為零，在溫度上升時最小主應力達到最大，隨后下降；在后半個循環(huán)主要受到拉應力，最小主應力為零。工況1最小主應力在下降段變化更加劇烈，在后半循環(huán)工況1最大主應力達到了157 MPa，工況2最高為74 MPa，工況1拉應力較工況2大了1倍。

圖8 節(jié)點N143566在工況1下的應力歷程

圖9 節(jié)點N143566在工況2下的應力歷程

節(jié)點N126946在工況1、工況2下的應力歷程分別如圖10和圖11所示，應力趨勢與燃燒室的位置一樣，壓應力的最大值幾乎一樣，工況1下降得更加明顯，而拉應力則區(qū)別較大，工況1的最大拉應力達到了331 MPa，而工況2最大為69 MPa，工況1較工況2大了將近5倍，而拉應力對于材料的疲勞是非常不利的。

圖10 節(jié)點N126946在工況1的應力歷程

圖11 節(jié)點N126946在工況2的應力歷程

兩節(jié)點各項數(shù)據(jù)對比見表1?？梢钥闯?，總體上兩點的最高溫度和壓應力差別不大，而工況1的拉應力比工況2增加明顯，燃燒室位置增加了1倍，排氣位置增加了將近4倍，塑性應變增加了7倍，最終燃燒室位置壽命由10364次增加到54806次，排氣位置壽命則由944次提升到35724次，增加明顯。

4 結(jié)論

（1）工況2在燃燒室位置的最高溫度比工況1高一些，但整個循環(huán)下的溫差幾乎一致，而排氣部位最高溫度和溫差在兩種工況下均相差不多，區(qū)別在于整個循環(huán)下工況2溫度的變化更緩和一些，最高溫度持續(xù)的時間較工況1短。

（2）兩種工況應力變化的趨勢相同，工況2在壓應力下降的階段比較緩和，且沒有工況1下降得多，在拉應力階段工況1增加得明顯，最大達到了工況2的4倍。

（3）工況1排氣位置的塑性應變是工況2的7倍，這也是工況2壽命提升明顯的主要原因，工況2在兩個位置的壽命分別提升了5.3倍和37.8倍，增加非常明顯。

可以看出，溫度變化比較緩和的工況對整體結(jié)構(gòu)的耐久性能改善明顯。