铝合金蠕变—疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用

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1、铝合金蠕变－疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用张庆2015年1月中图分类号：TK422UDC分类号：611铝合金蠕变－疲劳耦合特性研究及其在柴油机活塞寿命预测中的应用作者姓名张庆学院名称机械与车辆学院指导教师左正兴教授答辩委员会主席马朝臣教授申请学位工学博士学科专业动力机械及工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月Studyonthecoupledcreep-fatiguecharacteristicofaluminumalloyandtheapplicationinlifepredictionofdieselenginepistonCandidateN

2、ame：QingZhangSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.ZhengxingZuoChair,ThesisCommittee：Prof.ChaochenMaDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：PowerMachineryandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作

3、获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要铝合金材料具有比强度高、密度低、铸造性能良好等优点，在柴油机活塞结构中得到了广泛应用。近年来随着柴油机功率密度和转速的不断提升，缸内燃烧压力和燃气温度大幅提高，这使得活塞所承受的热负荷和机械负荷也更加严重。在这种载荷持续作用下，作为活塞材料的铝合金内部除了产生疲劳损伤之外，

4、还会产生蠕变损伤作用，并且与疲劳损伤之间产生复杂、耦合的相互作用，造成蠕变—疲劳破坏现象。本文针对铝合金材料的蠕变—疲劳耦合特性问题，从试验测试、理论分析和数值模拟三个角度进行了研究。主要目的在于掌握铝合金材料在高温载荷下的蠕变变形特点和疲劳行为特征，获得温度、载荷等因素对铝合金材料的循环变形和寿命行为的影响规律；借助于金相组织观测和疲劳断口分析，明确材料在疲劳破坏过程中的微观损伤机理和组织演化过程和特点；基于损伤力学的分析方法，建立能够将材料的蠕变损伤与疲劳损伤进行非线性耦合的蠕变—疲劳寿命预测模型；最后，基于上述模型和材料疲劳试验数据，实现活塞结构在变工况载荷下的蠕变—疲劳寿命

5、预测分析。论文主要的研究内容和结论为：（1）铝合金蠕变—疲劳行为研究展开了铝合金材料的单调拉伸力学性能测试，结果表明铝合金材料在高温下的抗拉强度急剧下降，说明温度对材料的力学性能造成很大的影响。此外，通过高温蠕变试验研究了温度和载荷对材料蠕变变形的影响规律，并基于ABAQUS软件的二次开发实现了蠕变变形的数值仿真。展开了铝合金材料的高温低周疲劳试验研究，结果表明材料在循环载荷下表现出循环软化现象，并且软化程度随着温度的升高而逐渐加大。在所测试的温度范围内，铝合金材料的低周疲劳寿命随着温度的升高而增加。采用基于塑性应变能的Halford-Marrow模型分析了铝合金材料塑形应变能与疲

6、劳寿命的关系，结果表明材料吸收和耗散塑性能的能力随着温度的升高而增强。（2）铝合金疲劳断裂及损伤微观机理分析采用金相观测方法研究了铝合金材料的疲劳断口形貌、组织演化过程和损伤累积。结果表明，铝合金材料的疲劳断口呈现大量的晶间裂纹和撕裂棱，说明疲劳过程中蠕变损伤和疲劳损伤之间存在耦合作用。此外，随着温度的升高，疲劳断口上撕裂I北京理工大学博士学位论文棱数量更多、形态也更加细小，这些撕裂棱能够有效减少应力集中和裂纹扩展速率，这从微观角度揭示了材料高温低周疲劳寿命随温度升高而增加的机理。（3）蠕变—疲劳寿命预测模型研究基于连续损伤力学的分析方法，将材料的蠕变损伤与疲劳损伤进行非线性累积，

7、建立了材料的蠕变—疲劳寿命预测模型，并采用蠕变—疲劳试验数据校核了模型参数。随后采用该模型预测了铝合金材料的寿命，预测结果均位于2倍误差带内，表明该模型具有良好的寿命预测能力。（4）活塞在变工况条件下的蠕变—疲劳寿命预测分析针对高功率密度柴油机活塞在变工况下的循环载荷特点，提出了活塞结构的蠕变—疲劳寿命预测分析流程，并预测了活塞结构在额定工况和最大扭矩工况循环作用下的蠕变—疲劳寿命。结果表明，活塞喉口位置为结构的疲劳薄弱位置，蠕变—疲劳寿命为1388次。本文的研究从材