缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零件之一，在工作過(guò)程中缸蓋火力面直接與高溫燃?xì)饨佑|，且隨燃燒室瞬態(tài)變化而承受著較高的交變熱負(fù)荷。隨著汽油發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度比越來(lái)越高，鑄鋁缸蓋溫度也越來(lái)越高，缸蓋的熱機(jī)疲勞失效成為學(xué)者和主機(jī)廠越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題 [1~3]。在發(fā)動(dòng)機(jī)城市工況怠速-運(yùn)行-怠速工作循環(huán)中，氣缸蓋燃燒室被急劇加熱和冷卻，并在其燃燒室火力面產(chǎn)生較大循環(huán)熱應(yīng)力負(fù)荷，受到低周熱疲勞損傷。

 

本文選擇 Abaqus 彈塑性和雙曲粘塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型，Chaboche 熱機(jī)壽命模型對(duì)某鑄鋁缸蓋燃燒室進(jìn)行研究。首先通過(guò)材料性能試驗(yàn)擬合獲取彈塑性和雙曲粘塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型，Chaboche 熱機(jī)壽命模型參數(shù)；然后建立缸蓋的流固耦合傳熱分析仿真模型求解各工況下的溫場(chǎng)、應(yīng)力，最終通過(guò) Chaboche 熱機(jī)壽命模型計(jì)算預(yù)測(cè)得到燃燒室低周疲勞循環(huán)壽命，根據(jù)仿真預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，此缸蓋預(yù)測(cè)低周疲勞壽命滿足目標(biāo)要求，且最終通過(guò)缸蓋冷卻沖擊試驗(yàn)。

 

1 計(jì)算數(shù)學(xué)模型建立

1.1 應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型

應(yīng) 力 應(yīng) 變 本 構(gòu) 模 型 選 擇 彈 塑 性 模 型+Abaqus 雙曲粘塑性模型。彈塑性模型描述了塑性狀態(tài)下應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，主要考慮了塑性硬化模型，多軸拉伸時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

 

 

 

1.2 熱機(jī)疲勞壽命分析模型

熱機(jī)疲勞分析模型選擇了 Chaboche 熱機(jī)壽命模型，該模型是基于非線性蠕變和疲勞損傷

演化方程。方程中的材料參量從等溫蠕變斷裂試驗(yàn)和等溫應(yīng)力控制快速疲勞試驗(yàn)中獲取。蠕變和損傷的交互作用通過(guò)對(duì)每個(gè)循環(huán)的蠕變和疲勞損傷進(jìn)行累積來(lái)實(shí)現(xiàn)，累積為非線性。損傷值累積到 1 時(shí)，認(rèn)為失效發(fā)生。Chaboche 預(yù)測(cè)模型中的損傷是一個(gè)較接近于真實(shí)的概念。該模型比較靈活，既可預(yù)測(cè)等溫蠕變疲勞壽命也可預(yù)測(cè)熱機(jī)疲勞壽命。

 

Chaboche creep-fatigue 模型：

總損傷

 

 

2 材料試驗(yàn)

本文中發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋為鑄鋁合金材料。材料試驗(yàn)主要是獲取塑性硬化，蠕變雙曲模型，以及Chaboche 熱機(jī)壽命模型中的材料參數(shù)。化學(xué)成分如表 1 所示

 

表 1 化學(xué)成分（%）

 

材料試驗(yàn)類(lèi)型包含 5 類(lèi)，試驗(yàn)名稱(chēng)及試驗(yàn)溫度要求見(jiàn)表 2。

 

表 2 拉伸試驗(yàn)參數(shù)要求

 

 

3 材料本構(gòu)參數(shù)擬合及驗(yàn)證

根據(jù)材料試驗(yàn)的結(jié)果分別對(duì)塑性硬化模型和雙曲蠕變模型的參數(shù)進(jìn)行擬合。塑性硬化模型

 

 

塑性硬化模型的參數(shù)γ，C 主要通過(guò)應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理擬合得到。擬合塑性硬化模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 1 所示，

 

 

 

 

圖 1 20℃和 250℃擬合與試驗(yàn)應(yīng)力滯回環(huán)對(duì)比

 

對(duì)比擬合塑性硬化模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)力應(yīng)變穩(wěn)定循環(huán)趨勢(shì)一致，滿足要求。

 

 

 

雙曲蠕變模型的參數(shù) B，n，A，Q 通過(guò)蠕變疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理擬合得到。擬合蠕變模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其擬合應(yīng)變速率與試驗(yàn)應(yīng)變速率比值的分布如圖 2 所示。預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的穩(wěn)定蠕變速率比值在 0.35~2.28 之間，滿足要求。

 

 

圖 2 合應(yīng)變速率與試驗(yàn)應(yīng)變速率比值的分布圖

 

Chaboche 熱機(jī)疲勞蠕變模型

 

 

蠕變模型參數(shù) r，A，k，Chaboche 熱機(jī)疲勞蠕變參數(shù)通過(guò)所有試驗(yàn)溫度下的應(yīng)變控制疲勞，應(yīng)力控制疲勞，應(yīng)力保持疲勞和蠕變疲勞處理擬合得到。Chaboche 熱機(jī)蠕變疲勞壽命模型預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較如圖 3 所示，大多數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)果在試驗(yàn)結(jié)果的±3 倍之內(nèi)，只有少數(shù)結(jié)果落在±5 倍分散帶之外，滿足要求。

 

 

圖 3 Chaboche 熱機(jī)蠕變疲勞壽命模型預(yù)測(cè)結(jié)

果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

 

4 缸蓋的流固耦合傳熱分析仿真

4.1 仿真流程

仿真流程主要分為溫度場(chǎng)計(jì)算和熱機(jī)疲勞計(jì) 算 ， 具 體 計(jì) 算 流 程 如 圖 4 所 示 。

 

 

圖 4 低周疲勞仿真分析流程

 

4.2 仿真模型

缸蓋低周疲勞模型主要包括以下部件：缸蓋、缸體、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)閥座、火花塞、缸蓋螺栓、缸墊、缸套。如圖 5 所示。

 

 

圖 5 缸蓋低周疲勞仿真模型

 

4.3 仿真工況

缸蓋低周疲勞工況采用怠速和額定功率工況交變。每個(gè)循環(huán)包括升溫，保持額定工況，降溫，保持怠速工況 4 個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間90s，一個(gè)循環(huán)持續(xù)時(shí)間為 360s。循環(huán)進(jìn)行 4次，其中第二個(gè)循環(huán)的額定工況保持過(guò)程為 30小時(shí)。使用第四個(gè)循環(huán)的結(jié)果進(jìn)行低周疲勞計(jì)算。如圖 6 所示。

 

 

圖 6 缸蓋低周疲勞工況介紹

 

4.4 溫度場(chǎng)解析

在裝配工況，怠速工況和額定功率點(diǎn)工況燃燒室溫度分布見(jiàn)圖 7。

 

圖 7 燃燒室溫度分布云圖

 

4.5 結(jié)果分析

對(duì)某機(jī)型缸蓋進(jìn)行低周疲勞仿真，燃燒室內(nèi)熱應(yīng)力分布云圖如所示。在額定工況下，燃燒室內(nèi)主要出于受壓狀態(tài)，輸出最小主應(yīng)力結(jié)果，最小主應(yīng)力最大值為 262MPa，在進(jìn)排氣閥座的鼻梁區(qū)。在怠速工況，燃燒室內(nèi)主要出于受拉狀態(tài)，出最大主應(yīng)力結(jié)果，最大主應(yīng)力最大值為151MPa，在進(jìn)氣閥座的鼻梁區(qū)，如圖 8 所示。

 

 

圖 8 燃燒室熱應(yīng)力分布云圖

 

缸 蓋 燃 燒 室 低 周 疲 勞 循 環(huán) 次 數(shù) 最 低 為Nf=3295，lg（Nf）=3.52，高于循環(huán)次數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)參考標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求，如圖 9 所示。在改發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱沖擊試驗(yàn)中，缸蓋完成該專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)滿足要求。

 

 

圖 9 燃燒室低周疲勞循環(huán)次數(shù)分布云圖（log10）

 

5 結(jié)論

（1）通過(guò)多項(xiàng)材料性能試驗(yàn)擬合獲取彈塑性和 Abaqus 雙曲粘塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型參數(shù)，Chaboche 熱機(jī)壽命模型參數(shù)，并將擬合結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了擬合參數(shù)的合理性。

 

（2）建立缸蓋的流固耦合傳熱分析仿真模型，求解各工況下的溫場(chǎng)；缸蓋材料定義采用彈塑性和 Abaqus 雙曲粘塑性應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型，求解各循環(huán)下的應(yīng)力場(chǎng)，采用 Chaboche 熱機(jī)壽命模型計(jì)算預(yù)測(cè)得到燃燒室低周疲勞循環(huán)壽命。

 

（3）仿真可有效預(yù)測(cè)燃燒室低周疲勞循環(huán)壽命，低周壽命區(qū)域主要在排排鼻梁區(qū)和進(jìn)排鼻梁區(qū)，對(duì)缸蓋燃燒室的設(shè)計(jì)具有重要意義。

 

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