气缸盖热机耦合疲劳寿命试验研究

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1、气缸盖热机耦合疲劳寿命试验研究曹炼博2015年6月中图分类号：UDC分类号：气缸盖热机耦合疲劳寿命试验研究作者姓名曹炼博学院名称机械与车辆学院指导教师程颖副教授答辩委员会主席张卫正教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ExperimentalResearchonThermo-mechanicalFatigueLifeofCylinderHeadCandidateName:LianboCaoSchoolorDepartment:Mechanical&VehicleEngin

2、eeringFacultyMentor:AssociateProf.YingChengChair,ThesisCommittee：Prof.WeizhengZhangDegreeApplied：MasterofEngeeringMajor：VehicleEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,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获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注

3、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：北京理工大学硕士学位论文摘要柴油机实现较高的升功率、较低排放要求所带来的必然趋势是缸内爆发压力的提升、燃气温度的提高、热负荷的加剧。气缸盖作为发动机中结构和负荷最为复杂的零件之一，疲劳问题日益突出，这在一些情况下直接影响了发动机整体的可靠性。本文以某灰铁气缸盖为研究对象，通过有

4、限元仿真分析得到缸盖火力面鼻梁区的应力-应变情况，其破坏属热机耦合疲劳破坏；提出了一种模拟气缸盖鼻梁区热机耦合疲劳状况的缸盖热冲击台架试验方案；并为此设计了等效假机体；对试验的电磁感应加热过程进行了多场耦合仿真，确定了台架试验规范，完成了试验。主要内容包括：（1）基于有限元仿真方法，分析了气缸盖处于不同载荷作用下的应力状况，得到了气缸盖火力面各鼻梁区处于单轴应力状态，其破坏属热机耦合疲劳破坏的结论，并据此选用SWT公式对各鼻梁区危险位置进行了寿命预测。通过分析、比较螺栓预紧力对气缸盖不同鼻梁区危险位置约束情况、疲劳寿命

5、的影响，指出了设计热机耦合疲劳试验的必要性。（2）针对气缸盖试验工况下的感应加热情况，通过建立简化的气缸盖模型，对相关试验参数进行了规律性研究，并利用正交试验分析了加热过程中加热时间、最大温度、温度幅值对加热过程中气缸盖鼻梁区危险位置最大应力值和平均应力值的影响。（3）试验工况仿真研究和热机耦合疲劳寿命试验。将一个试验循环分解为加热、保温、冷却三个过程，（其中，所考虑的加热过程为热电磁耦合过程，保温过程为热电磁耦合加热阶段和自然对流散热阶段的交替过程，冷却过程为强制对流散热过程）通过比较等效应力值建立仿真与试验间的等效

6、关系，确立了反应实际工况的热机耦合疲劳寿命试验方案。通过疲劳试验，获取了鼻梁区危险位置裂纹的萌生和发展情况。关键词：气缸盖；寿命预测；试验工况仿真；试验控制参数；热机耦合疲劳试验。I北京理工大学硕士学位论文AbstractTomeettherequirementsofhighspecificpowerandlowemissionfordieselengines,thepressuresandthegastemperaturesinthecylindershavetheinevitabletendencytoincrea

7、se,whichaggravatesthethermalloadingconditionsaswell.Cylinderhead,asoneofthecomponentswithmostcomplexstructuresandloadingsintheengine,isfacingprominentfatigueproblems,whichinsomecasesdirectlyaffectsthereliabilityofthewholeengine.Inthispaper,thestress-straincondit

8、ionsofcastironcylinderheadsareanalyzedtodeterminethefailureofvalvebridgeareasbelongstothermo-mechanicalfatigue;experimentalschemesareprovidedtosimulatethethermo-mecha