基于熱-流-固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵重要零件之一，結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，其與活塞共同形成燃燒室，在工作中承受高溫、高壓的燃?xì)鈮毫吐菟A(yù)緊力；氣缸蓋的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生周期性的變化，容易產(chǎn)生疲勞破壞。這就需要對(duì)氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行分析研究，氣缸蓋一個(gè)完整的疲勞分析應(yīng)該包括高周和低周疲勞分析，氣缸蓋的高周疲勞主要是循環(huán)爆發(fā)壓力產(chǎn)生的應(yīng)力幅和熱載荷產(chǎn)生的平均應(yīng)力造成的；低周疲勞主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)啟動(dòng)和關(guān)閉產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力導(dǎo)致的；熱應(yīng)力是由于溫度載荷產(chǎn)生的，目前氣

2、缸蓋考慮溫度影響時(shí)，多采用熱-流-固耦合方式進(jìn)行應(yīng)力分布分析。對(duì)上述氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)有兩種方法：一種是試驗(yàn)方法，這種方法雖然可靠，但耗資大，工作繁瑣，進(jìn)度慢；一種方法是疲勞壽命分析法，這種方法是依據(jù)材料的屬性，結(jié)合載荷歷程選取疲勞壽命分析模型來(lái)計(jì)算分析出構(gòu)件的疲勞壽命，這種方法分析模型較多，若對(duì)氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測(cè)選擇不合適的分析模型，則會(huì)導(dǎo)致其壽命結(jié)果誤差大。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文以某柴油機(jī)氣缸蓋為研究對(duì)象，采用整場(chǎng)求解法對(duì)氣

3、缸蓋與冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合計(jì)算，得到氣缸蓋的溫度場(chǎng)。將氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度與預(yù)緊力、爆發(fā)壓力耦合在一起對(duì)氣缸蓋進(jìn)行熱-固耦合計(jì)算。研究了氣缸蓋在機(jī)械載荷與熱-固耦合下的應(yīng)力分布，得到氣缸蓋應(yīng)力集中區(qū)域。采用完全瞬態(tài)法分別對(duì)氣缸蓋在機(jī)械載荷下和熱-固耦合下進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，將得到的應(yīng)力、應(yīng)變時(shí)間歷程作為氣缸蓋壽命預(yù)測(cè)載荷譜的依據(jù)。對(duì)于氣缸蓋高周疲勞問(wèn)題，研究了多種疲勞壽命分析模型對(duì)其預(yù)測(cè)壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋壽命預(yù)測(cè)的模型；對(duì)

4、于氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞問(wèn)題，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到研究氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的一種方法。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容：
　?。?）氣缸蓋熱-流-固耦合分析
　　以ANSYS流場(chǎng)分析軟件FLUENT為工具，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算氣缸蓋熱載荷邊界條件，得出不同區(qū)域施加的換熱系數(shù)、溫度及冷卻液進(jìn)出口邊界條件。運(yùn)用整場(chǎng)求解方法，選擇控制方程，對(duì)氣缸蓋和冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合仿真分析。研究了冷卻液流

5、場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氣缸蓋的溫度場(chǎng)的流速與溫度分布情況，最終得到氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度。將氣缸蓋各節(jié)點(diǎn)溫度映射到ANSYS結(jié)構(gòu)分析的氣缸蓋組合模型中，在ANSYS中對(duì)氣缸蓋組合模型進(jìn)行預(yù)緊工況、爆發(fā)工況和熱-固耦合工況的靜態(tài)計(jì)算。研究了各工況氣缸蓋的應(yīng)力分布，找出了氣缸蓋的應(yīng)力集中區(qū)域與影響應(yīng)力集中的載荷。
　?。?）氣缸蓋高周疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究
　　對(duì)氣缸蓋分別進(jìn)行機(jī)械載荷和熱-固耦合的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得出應(yīng)力-時(shí)間、應(yīng)變-時(shí)間歷程，

6、為氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了應(yīng)力譜數(shù)據(jù)。運(yùn)用疲勞分析軟件DesignLife對(duì)氣缸蓋進(jìn)行高周疲勞壽命預(yù)測(cè)。分別研究了氣缸蓋在機(jī)械載荷和熱-固耦合作用下選用三種不同損傷參量臨界面模型對(duì)氣缸蓋疲勞壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測(cè)的臨界面損傷參量模型，為氣缸蓋疲勞壽命設(shè)計(jì)提供一種可靠地壽命預(yù)測(cè)模型與理論依據(jù)。
　　研究了機(jī)械、熱載荷對(duì)氣缸蓋火力面高周疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)施加熱載荷后疲勞壽命最低位置位于火力面鼻梁處，在進(jìn)行壽

7、命預(yù)測(cè)時(shí)必須考慮熱載荷的影響.
　?。?）影響氣缸蓋疲勞壽命的因素研究
　　重點(diǎn)研究了表面粗糙度對(duì)氣缸蓋壽命的影響。通過(guò)設(shè)置不同的表面粗糙度系數(shù)對(duì)氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算，得到不同表面粗糙度系數(shù)對(duì)氣缸蓋疲勞壽命的影響曲線(xiàn)。
　　（4）探索了通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)氣缸蓋進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法
　　通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件對(duì)氣缸蓋啟動(dòng)-停車(chē)循環(huán)的低周疲勞問(wèn)題進(jìn)行了研究。壽命預(yù)測(cè)分析方法選擇ε?N曲線(xiàn)法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)分析，得