某缸盖高周疲劳分析

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1、某缸盖高周疲劳分析摘要：基于冇限元法和应力疲劳理论，通过Abaqus和FEMFAT软件对某发动机缸盖进行温度场和结构耐久性计算分析•计算结果表明：在当前的载荷下，从温度分布和高周疲劳角度考虑，此缸盖可以满足安全运转需求，但是对于进一步提升发动机性能，其潜在承受能力较小.关键词：发动机；缸盖；高周疲劳；冇限元中图分类号：U464.132；TB115.1文献标志码：B引言缸盖在发动机工作时承受极高的温度和较大的气体爆发压力.热应力和气体燃烧产生的交变应力极易使发动机缸盖产生疲劳裂纹，严重时将造成发动机报废，影响发动机的使用寿命和安全性•高周疲劳分析可以预测结构在交变载荷

2、作用下的使用寿命及疲劳裂纹的产生位置，在发动机设计中可以提前找到结构的危险位置并对其进行优化，避免可能发生的质量问题•本文对某现有发动机缸盖进行温度场和高周疲劳分析计算，评判其设计薄弱点，为将来发动机性能提升工作提供依据.1分析流程缸盖的CAE分析由一维计算、CFD计算、传热计算、静强度计算和疲劳分析等5部分组成•本文主要进行传热计算、静强度计算和疲劳分析等.分析流程见图1图1缸盖疲劳计算分析流程2模型信息为研究发动机各缸的温度分布差异，计算采用整机模型，其中缸盖作为主要分析对象，缸体模型主要用于提供刚度值及相关边界条件.使用HyperMesh进行儿何清理及网格划分

3、，模型包括缸体、缸垫、螺栓、气门座圈和气门导管等，不考虑气缸垫•分析重点为燃烧室和水套，因此需要对此部位进行网格细化•缸体和缸盖采用2阶四面休单元进行划分，英他部件使用1阶六面体和棱柱单元•模型单元总数为99000个，节点总数为1680000个•缸体缸盖冇限元模型见图2.图2缸体缸盖有限元模型在传热分析和应力分析中，模型使用相同的节点和单元编号，仅单元类型不同.3传热分析传热分析的卞要边界条件为边界层的环境温度和换热系数•所有的热边界的环境温度和换热系数都为整个工况的平均数，即720°曲轴转介工作状况的平均值•热边界条件主要包括燃烧换热边界条件、水套换热边界条件、机

4、油接触面换热边界条件和空气接触面换热边界条件等.3.1燃烧换热边界条件燃烧换热边界条件由CFD软件计算得到•包扌舌燃烧室、缸套、火花塞、进气道、排气道、进排气门和进排气门座与燃烧气体的接触部位等・CFD软件计算可以得到以上部位气体边界层的平均温度和平均换热系数，并将其映射到有限元分析网格上•超过CFD软件计算范围的气体边界层（下止点到气缸底部）的环境温度和换热系数采用经验系数•边界层平均温度和换热系数见图3.(a)温度分布云图，°C(b)换热系数分布，W/(mm2-K)图3燃烧边界条件3.2水套换热边界条件水套换热边界条件包括冷却水温度和换热系数，由CFD软件计算得

5、到.计算得到的换热系数通过映射功能，映射到热传递分析的模型网格上•传热分析使用的冷却水温度取100°C,即仅考虑最恶劣的工况.由于冷却液的工作环境温度较高，因此必须考虑沸腾对换热系数的影响•随着壁面温度的提高，冷却液会进入泡核沸腾状态，换热系数随着壁面温度的上升而提高•若壁面温度继续提高，冷却液将进入膜态沸腾阶段.此时液体的换热系数会随壁面温度升高而下降•因此，为提升水套的换热能力，冷却液不应进入膜态沸腾阶段.水套边界层单元的总换热系数atotal=aconv+aboi1式中：aconv为CFD计算映射到热传递模型每个单元上的换热系数；aboil为Pflaum/Mo

6、l1enhauer公式计算得到的泡核沸腾区域冷却液的换热系数，即山泡核沸腾引起的换热系数的提升.aconv随壁温的变化曲线见图4.图4沸腾阶段acorw随壁温变化曲线以CFD软件计算得到的换热系数文件作为输入，通过外部程序可以重新生成包含有沸腾换热系数的INP文件.3.3其他热边界条件与机油接触面和与空气接触血的环境温度及换热系数采用经验系数.机油温度为许用的最高油温135°C,换热系数取150W/(m2-K)•空气温度取60°C,换热系数取40W/(m2-K).3.4温度场计算结果温度场计算主要关注缸盖燃烧室和水套的温度分布•缸盖燃烧室火力面的温度分布见图5,水套

7、壁面温度分布见图6.缸盖燃烧室计算得到的最高温度为235°C,远小于铝合金材料的许用温度300°C.水套壁温一般不允许超过160°C,以避免发生膜态沸腾，影响水套换热•计算得知缸盖水套壁温最高为153.9°C,缸体水套最高温度133.9°C.4高周疲劳分析高周疲劳分析计算需要使用静强度分析计算得到的结果•使用Abaqus进行静强度计算，需要考虑材料随温度变化的弹性模量、泊松比、线弹性系数和热导率等•通过疲劳软件的塑性修正功能，只需在Abaqus中进行弹性分析，忽略材料塑性造成的彩响，以节省计算时间.4.1计算工况在Abaqus中，静强度分析工况见表1•表1中，工