发动机工况对缸盖低周疲劳影响分析与研究_张福明.pdf
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1、内燃机与配件 发动机工况对缸盖低周疲劳影响分析与研究张福明,路明,郝佳胜(宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,浙江 宁波 )摘要:现有的台架试验工况不能完全验证发动机在整车上的故障,如缸垫处渗水,渗油等。为了在台架上充分验证失效模式,因此需要对冷热冲击工况进行强化,使其变得更为严苛,以此来满足可靠性的要求。试验结果表明在发动机工况转换过程中,通过缩短冷、热水转换时间,控制冷却液的升温速率和降温速率,可以达到强化试验工况的目的。同时也要考虑试验工况变化后对缸盖低周疲劳的影响,本文通过有限元分析的方法对比两种试验工况对缸盖低周疲劳的影响,仿真结果表明强化后的试验工况对缸盖低周疲劳影响非常有限,缸盖鼻
2、梁区和火花塞孔周围无开裂风险。关键词:密封;渗漏;低周疲劳;冷热冲击;燃烧室中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,):,:;作者简介:张福明(),男,汉,黑龙江省安达市,硕士,工程师,主任工程师,研究方向:发动机台架试验及开发。引言发动机在实际使用过程中,要经历不计其数次起、停循环及负载的变化,导致发动机的热负荷产生剧烈变化,缸盖是最容易受到损伤的重要零部件之一,其结构最复杂、机械载荷和热负荷最高。火力面不断承受缸内燃烧过程所产生的热负荷及气缸爆发应力的作用,内侧收到冷却水套持续冷却,在装配过程中又收到缸盖螺栓预紧力和其它附件的过盈力作用,很有可能在复杂的热机载荷影响下产生疲劳破坏。在发
3、动机运行过程中经常暴露出由于其结构和强度设计不合理而引起各类问题,如缸盖火花塞孔周围开裂,气缸垫周围冷却液和润滑油泄漏。在产品开发前,可通过仿真分析方法来预测气缸盖是否可以承受高低温冲击,并能预测缸盖的疲劳安全系数。同时,发动机气缸垫的主要作用是使高温高压燃气、冷却水和润滑油不泄漏,起密封的作用气缸垫在高温高压和受热不均的条件下工作,其强度、密封性能的好坏,直接影响到发动机工作的安全性和可靠性,是发动机的重要密封部件。模型建立 缸盖低周疲劳理论当载荷超过 时,工程材料和构件将产生永久性的变形,即在载荷消除后将产生不可逆变形。在接近甚至超过其屈服强度的循环应力的作用下,塑性应变循环所造成的疲劳(
4、如 )被称为低周疲劳。低周疲劳中,应力和应变的问题相应地变得复杂,而不是简单的线性弹性变化。基于损伤累积的 理论以其结构简单,使用方便等优点在工程中得到了广泛的应用。由于 公式的计算结果在某些情况下不尽人意,许多科技工作者曾作了大量的研究,提出几种累积损伤理论,但都因其局限性未能推广。但 线性累积损伤理论仍是目前应用最广泛的理论。局部应力应变方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。它抓住了疲劳损伤的本质塑性变形,认为疲劳损伤过程就是塑性变形累积到一定量时导致裂纹产生。局部应力应变方法是一种基于危险部件在加载过程中的局部应力、应变疲劳寿命的估算方法。它抓住了疲劳损伤
5、的本质塑性变形,认为疲劳损伤过程就是塑性变形累积一定量时导致裂纹产生。模型建立发动机运转过程中缸盖受到的载荷包括装配载荷,其中有缸盖螺栓预紧力、气门座圈和气门导管的过盈量。气体爆发压力以及温度载荷,同时考虑气缸垫的非线性材料属性。分析模型包括:缸体、缸盖、螺栓、垫片、缸垫、气门、气DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.003 年第期门座圈、气门导管及喷油器(简化)、火花塞(简化)组成,如图所示。仿真计算结果分析主要考虑最大热负荷工况以及怠速工况,先通过 分析得到燃烧室的温度及换热系数边界。再通过双向流固耦合计算得到两种工况下的缸盖燃烧室温度场分布。为了比较
6、火力面在冷热冲击工况下的应力变化情况,选取了,六个典型位置点进行比较,如图所示。图缸盖 模型图火力面考察点 缸盖温度场分析一个试验循环为 ,其中冷工况总时间为 ,水温控制在,热工况时间为 ,水温控制在 ,基本的思路是缩短发动机冷却液的升温时间和降温时间,这样可以提高单位时间内的温度变化值。为了确保仿真结果的准确性,计算两个循环进行对比。以缸盖燃烧室内点和点为例,其中点离火花塞孔近,工况优化前,从发动机启动开始,到缸盖温度达到最高值 所用时间为 。从热工况到冷工况切换直到火力面最低温度达到 ,所用时间为 。工况优化后,从冷工况到热工况切换时间为 ,缸盖最高温度为 。从热工况到冷工况切换时间为 ,
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