CN110826267A - 发动机缸盖蠕变疲劳分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，包括：S1、分析集成排气缸盖的集成排气道出现疲劳开裂的原因，确定出典型试验工况；S2、模拟典型试验工况，对集成排气缸盖进行有限元计算，明确考虑材料蠕变特性的必要性；S3、进行材料蠕变试验，根据蠕变本构方程，获得材料实际的蠕变特性参数；S4、建立试验件的有限元模型，对有限元模型模拟蠕变试验，修正蠕变本构方程；S5、进行蠕变强度分析，得到集成排气缸盖的应力和应变结果；S6、进行疲劳计算，并与试验开裂位置对标。本发明的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，可以精确计算评估排气集成缸盖的集成排气道内发生裂纹的危险位置。

Description

发动机缸盖蠕变疲劳分析方法
技术领域
本发明属于发动机技术领域，具体地说，本发明涉及一种发动机缸盖蠕变 疲劳分析方法。
背景技术
集成排气缸盖是近几年车用发动机轻量化和制造技术的重要发展方向和趋 势。随着国家四阶段油耗法规、国六排放法规的实施，发动机节能减排的压力 越来越大，集成排气缸盖技术对发动机冷启动排放降低效果极佳，同时可以有 效提升发动机高速高负荷工况空燃比，实现了节能减排的综合效果。
现有计算发动机缸盖疲劳强度的方法，考虑装配载荷和全速全负荷的温度 场作为恒定载荷，交变载荷是各缸的爆发压力，预测出的危险位置主要在高爆 压产生的高应力幅区域或者高温产生的高平均应力区域。对于离燃烧室较远， 受爆压影响较小的集成排气道区域，无法预测出危险位置，而集成排气道在某 些试验中出现了开裂的现象。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供 一种发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，目的是精确计算排气集成缸盖的集成排气 道内的危险位置。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：发动机缸盖蠕变疲 劳分析方法，包括：
S1、分析集成排气缸盖的集成排气道出现疲劳开裂的原因，确定出典型试 验工况；
S2、模拟典型试验工况，对集成排气缸盖进行有限元计算，明确考虑材料 蠕变特性的必要性；
S3、进行材料蠕变试验，根据蠕变本构方程，获得材料实际的蠕变特性参 数；
S4、建立试验件的有限元模型，对有限元模型模拟蠕变试验，修正蠕变本 构方程；
S5、进行蠕变强度分析，得到集成排气缸盖的应力和应变结果；
S6、进行疲劳计算，并与试验开裂位置对标。
所述典型试验工况为冷热冲击试验。
所述步骤S1中，根据集成排气缸盖的集成排气道出现开裂位置处的材料的 金相分析结果，判定该处开裂为疲劳失效，根据试验后开裂的现象研究发动机 开发阶段的各试验工况，确定出对集成排气道考核最苛刻的典型试验工况为冷 热冲击试验。
所述步骤S3中，根据集成排气缸盖材料的蠕变试验数据和蠕变本构方程， 使用数值方法，获得集成排气缸盖材料初始的蠕变特性参数A、n、m，蠕变本 构方程为
Figure BDA0002229481100000021
所述步骤S6中，根据集成排气缸盖的应力和应变结果，使用疲劳分析软件 进行疲劳计算，预测出集成排气道内会出现开裂的危险位置，预测结果与试验 开裂位置一致，计算的疲劳寿命与实际试验循环次数相符。
本发明的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，利用铝合金材料的蠕变特性的理 论，通过材料蠕变试验数据与数值分析方法结合来修正蠕变本构方程，然后用 有限元方法来分析缸盖在冷热冲击载荷下的蠕变强度，得到体现了应力松弛的 应力应变结果，从而可以精确计算评估排气集成缸盖的集成排气道内发生裂纹 的危险位置。
附图说明
图1是本发明发动机缸盖蠕变疲劳分析方法的流程示意图；
图2是蠕变强度结果与常规耦合结果对比；
图3是蠕变试验数据示意图；
图4是模拟蠕变试验模型示意图；
图5是模拟蠕变试验的计算结果；
图6是疲劳分析结果与试验开裂对比；
图7是预测结果与试验开裂位置的比对图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步 详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完 整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
如图1所示，本发明提供了一种发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，包括：
S1、分析集成排气缸盖的集成排气道出现疲劳开裂的原因，确定出典型试 验工况；
S2、模拟典型试验工况，对集成排气缸盖进行有限元计算，明确考虑材料 蠕变特性的必要性；
S3、进行材料蠕变试验，根据蠕变本构方程，获得材料实际的蠕变特性参 数；
S4、建立试验件的有限元模型，对有限元模型模拟蠕变试验，修正蠕变本 构方程；
S5、进行蠕变强度分析，得到集成排气缸盖的应力和应变结果；
S6、进行疲劳计算，并与试验开裂位置对标。
具体地说，集成排气缸盖较传统的发动机气缸盖，集成排气道周围的温度 高达230℃左右，若结构布置不合理，在冷热冲击工况下导致的热应力循环交变， 容易造成集成排气道位置发生裂纹。蠕变是材料的固有特性，在计算中考虑蠕 变更符合实际情况，蠕变尤其对处于高温工作环境的缸盖影响很大，集成排气 缸盖采用铝合金材料制成，因此本发明考虑了铝合金材料的蠕变特性。
在上述步骤S1中，典型试验工况为冷热冲击试验。根据集成排气缸盖的集 成排气道出现开裂位置处的材料的金相分析结果，判定该处开裂为疲劳失效， 根据试验后开裂的现象研究发动机开发阶段的各试验工况，确定出对集成排气 道考核最苛刻的典型试验工况为冷热冲击试验，对冷热冲击试验进行瞬态温度 场分析。
在上述步骤S1中，需搜集、分析、研究发动机开发过程中相关试验运行工 况的数据，包括冷热冲击、可靠性、耐久性等试验的运行时间，相应的功率， 出水温度，进水温度以及试验中实测的排温和缸盖温度等数据。
在上述步骤S2中，采用铝合金材料蠕变参数的经验值，对集成排气缸盖进 行模拟冷热冲击试验工况的有限元计算，分析研究材料蠕变特性对集成排气缸 盖应力应变的影响，发现材料的蠕变特性在强度计算结果中体现了应力松弛现 象，同时应力和应变比常规耦合强度计算结果更快趋于稳定(图2)，可使后续 对缸盖疲劳寿命的预测更准确，从而确定了计算中考虑材料蠕变特性的必要性。
在上述步骤S3中，根据集成排气缸盖材料的蠕变试验数据和蠕变本构方程， 使用数值方法，获得集成排气缸盖材料初始的蠕变特性参数A、n、m，蠕变本 构方程为
Figure BDA0002229481100000041
在上述蠕变本构方程中，εc为等效蠕变应变，σ为等效应力，t为时间，A 为幂次方程系数，n为应力指数，m为时间指数；其中A、n、m为常数，
Figure BDA0002229481100000051
且n＞0，0≥m＞-1。
在上述步骤S4中，使用有限元软件，建立试验件的有限元模型，有限元模 型为用于蠕变试验的棒状结构，有限元模型的一端固定，一端自由伸长，施加 不同的温度和拉力，来模拟材料的蠕变试验(图4)，对缸盖材料的蠕变参数进 行修正，来修正材料的蠕变本构方程，直到有限元模拟计算的结果与材料试验 数据相符(图5)，以此来保证蠕变强度计算的准确性。
在上述步骤S5中，采用步骤S4中得到的修正后的缸盖材料蠕变本构方程， 对集成排气缸盖进行冷热冲击下的蠕变强度分析，得到交变的应力和应变(图 6)，在高温区域蠕变应变不断的累积，但增量逐渐减小，因此蠕变强度计算中 冷热冲击至少持续3个循环，使应力应变的增量比较稳定，以保证后续疲劳预 测的准确性。
在上述步骤S6中，根据集成排气缸盖的应力和应变结果，使用疲劳分析软 件进行疲劳计算，预测出集成排气道内会出现开裂的危险位置，预测结果与试 验开裂位置一致(图7)，计算的疲劳寿命与实际试验循环次数相符，此疲劳分 析方法可行，可以有效预测出集成排气缸盖排气道内可能出现裂纹的危险位置， 为集成排气缸盖的设计提供理论依据，从而避免试验中裂纹的发生。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上 述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性 的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在 本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，其特征在于，包括：
S1、分析集成排气缸盖的集成排气道出现疲劳开裂的原因，确定出典型试验工况；
S2、模拟典型试验工况，对集成排气缸盖进行有限元计算，明确考虑材料蠕变特性的必要性；
S3、进行材料蠕变试验，根据蠕变本构方程，获得材料实际的蠕变特性参数；
S4、建立试验件的有限元模型，对有限元模型模拟蠕变试验，修正蠕变本构方程；
S5、进行蠕变强度分析，得到集成排气缸盖的应力和应变结果；
S6、进行疲劳计算，并与试验开裂位置对标。
2.根据权利要求1所述的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，其特征在于，所述典型试验工况为冷热冲击试验。
3.根据权利要求2所述的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据集成排气缸盖的集成排气道出现开裂位置处的材料的金相分析结果，判定该处开裂为疲劳失效，根据试验后开裂的现象研究发动机开发阶段的各试验工况，确定出对集成排气道考核最苛刻的典型试验工况为冷热冲击试验。
4.根据权利要求1至3任一所述的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据集成排气缸盖材料的蠕变试验数据和蠕变本构方程，使用数值方法，获得集成排气缸盖材料初始的蠕变特性参数A、n、m，蠕变本构方程为
Figure FDA0002229481090000011
5.根据权利要求1至4任一所述的发动机缸盖蠕变疲劳分析方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据集成排气缸盖的应力和应变结果，使用疲劳分析软件进行疲劳计算，预测出集成排气道内会出现开裂的危险位置，预测结果与试验开裂位置一致，计算的疲劳寿命与实际试验循环次数相符。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111680437A (zh) * 2020-05-15 2020-09-18 中国第一汽车股份有限公司 一种发动机缸盖用铸铝材料本构参数模型建立方法
CN112364517A (zh) * 2020-11-19 2021-02-12 东风汽车集团有限公司 缸盖在低周疲劳下的寿命评估方法及相关设备
CN112883604A (zh) * 2021-01-21 2021-06-01 西北工业大学 确定镍基单晶叶片不同位置处的蠕变强度的方法
CN114459941A (zh) * 2021-12-29 2022-05-10 宁波职业技术学院 一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120232858A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Material property distribution determination for fatigue life calculation using dendrite arm spacing and porosity-based models
CN109598079A (zh) * 2018-12-12 2019-04-09 中国北方发动机研究所(天津) 一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120232858A1 (en) * 2011-03-08 2012-09-13 GM Global Technology Operations LLC Material property distribution determination for fatigue life calculation using dendrite arm spacing and porosity-based models
CN109598079A (zh) * 2018-12-12 2019-04-09 中国北方发动机研究所(天津) 一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
龚伟国;王艳军;陈明;: "发动机缸盖热机械疲劳及寿命预测研究" *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111680437A (zh) * 2020-05-15 2020-09-18 中国第一汽车股份有限公司 一种发动机缸盖用铸铝材料本构参数模型建立方法
CN112364517A (zh) * 2020-11-19 2021-02-12 东风汽车集团有限公司 缸盖在低周疲劳下的寿命评估方法及相关设备
CN112883604A (zh) * 2021-01-21 2021-06-01 西北工业大学 确定镍基单晶叶片不同位置处的蠕变强度的方法
CN112883604B (zh) * 2021-01-21 2024-02-09 西北工业大学 确定镍基单晶叶片不同位置处的蠕变强度的方法
CN114459941A (zh) * 2021-12-29 2022-05-10 宁波职业技术学院 一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统
CN114459941B (zh) * 2021-12-29 2023-11-21 宁波职业技术学院 一种排气系统中静子件开裂风险的预测方法与系统

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