基于熱-流-固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測方法研究.pdf

1、氣缸蓋是發(fā)動機(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。這就需要對氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行分析研究，氣缸蓋一個完整的疲勞分析應(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)動機(jī)重復(fù)啟動和關(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，多采用熱-流-固耦合方式進(jìn)行應(yīng)力分布分析。對上述氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測有兩種方法：一種是試驗方法，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計算分析出構(gòu)件的疲勞壽命，這種方法分析模型較多，若對氣缸蓋疲勞壽命預(yù)測選擇不合適的分析模型，則會導(dǎo)致其壽命結(jié)果誤差大。
　　針對上述問題，本文以某柴油機(jī)氣缸蓋為研究對象，采用整場求解法對氣

3、缸蓋與冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合計算，得到氣缸蓋的溫度場。將氣缸蓋各節(jié)點溫度與預(yù)緊力、爆發(fā)壓力耦合在一起對氣缸蓋進(jìn)行熱-固耦合計算。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)法分別對氣缸蓋在機(jī)械載荷下和熱-固耦合下進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，將得到的應(yīng)力、應(yīng)變時間歷程作為氣缸蓋壽命預(yù)測載荷譜的依據(jù)。對于氣缸蓋高周疲勞問題，研究了多種疲勞壽命分析模型對其預(yù)測壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋壽命預(yù)測的模型；對

4、于氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題，通過標(biāo)準(zhǔn)試件對此問題進(jìn)行了研究，得到研究氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞壽命預(yù)測的一種方法。
　　本文主要研究內(nèi)容：
　?。?）氣缸蓋熱-流-固耦合分析
　　以ANSYS流場分析軟件FLUENT為工具，通過經(jīng)驗公式計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。運用整場求解方法，選擇控制方程，對氣缸蓋和冷卻液進(jìn)行直接熱-流耦合仿真分析。研究了冷卻液流

5、場、溫度場和氣缸蓋的溫度場的流速與溫度分布情況，最終得到氣缸蓋各節(jié)點溫度。將氣缸蓋各節(jié)點溫度映射到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。
　　（2）氣缸蓋高周疲勞壽命預(yù)測方法研究
　　對氣缸蓋分別進(jìn)行機(jī)械載荷和熱-固耦合的瞬態(tài)動力學(xué)分析，得出應(yīng)力-時間、應(yīng)變-時間歷程，

6、為氣缸蓋的疲勞壽命預(yù)測提供了應(yīng)力譜數(shù)據(jù)。運用疲勞分析軟件DesignLife對氣缸蓋進(jìn)行高周疲勞壽命預(yù)測。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)測的臨界面損傷參量模型，為氣缸蓋疲勞壽命設(shè)計提供一種可靠地壽命預(yù)測模型與理論依據(jù)。
　　研究了機(jī)械、熱載荷對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)測時必須考慮熱載荷的影響.
　　（3）影響氣缸蓋疲勞壽命的因素研究
　　重點研究了表面粗糙度對氣缸蓋壽命的影響。通過設(shè)置不同的表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命進(jìn)行計算，得到不同表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命的影響曲線。
　　（4）探索了通過使用標(biāo)準(zhǔn)試件對氣缸蓋進(jìn)行低周疲勞壽命預(yù)測的方法
　　通過標(biāo)準(zhǔn)試件對氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題進(jìn)行了研究。壽命預(yù)測分析方法選擇ε?N曲線法對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行壽命預(yù)測分析，得