CN109598079B - 一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法，首先对气缸盖热机耦合失效机理进行仿真分析，确定不同失效模式之间的判定准则，再根据不同区域的失效模式对气缸盖进行分区，针对特定的失效模式采用不同的疲劳损伤及寿命预测模型，分区预估气缸盖疲劳寿命。针对气缸盖不同部位材料特性、载荷工况不同的问题，确定一种分区疲劳分析方法预估气缸盖疲劳寿命，减少常规疲劳分析中由于失效模式不同导致的偏差问题，并且为采用软件一次性完成整个气缸盖疲劳寿命预估提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于车用发动机疲劳寿命预估方法技术领域，尤其是涉及一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法。
背景技术
现代高强化发动机气缸盖一般采用液体冷却模式，要求在狭小的几何空间内实现进排气、燃烧室密封和流体冷却散热的功能，使得气缸盖内部结构非常复杂，整体的温度梯度很大，温度分布很不均匀。造成气缸盖的一些关键区域，如火力面鼻梁、排气道鼻梁、气道壁和喷油器安装孔等位置的疲劳失效机理完全不同。有些区域温度低却应力变化较大、有些区域温度高但是温度在工作过程中基本保持不变、有些区域温度和应力均有较大的变化，导致在气缸盖一个零件上存在机械疲劳、热疲劳失效、高温疲劳、高温蠕变疲劳等多种疲劳失效模式。多种失效模式共存和复杂的失效机理造成气缸盖疲劳耐久性评估过程中无法用一个统一的损伤模型和寿命计算方法，必须根据不同部位实际的失效物理确定不同失效模式之间的判定准则，建立相应的损伤和寿命预估模型才能更加全面的反映气缸盖的耐久性水平。
由于不同失效模式的分析方法不同，采用相同疲劳损伤计算模型和寿命预估方法不能有效的满足整个气缸盖的疲劳评估，也不能准确有效的计算气缸盖的疲劳寿命。
铸造气缸盖本体材料各处还具有很大的分散性，在气缸盖的疲劳寿命预估中，采用单一的材料属性和预估模型显然不能完全表述气缸盖的各处的疲劳特性，需要根据具体部位的失效模式和本体材料特性分别选取计算模型和设定计算参数。同时气缸盖不同部位的疲劳失效机理不尽相同，温度和应力(应变)是决定结构件是否失效的两个根本因素，如气缸盖火力面鼻梁区、排气道鼻梁区等是典型的热机耦合疲劳，而水腔隔板、顶板等则又是以高温高周疲劳为主，其疲劳损伤计算模型和寿命预估方法完全不同。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法，以分区计算可以使计算更有针对性，并在软件实现中更加方便。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法，包括以下步骤：
a、对气缸盖进行温度场、应力场及其时变特征进行测试或仿真；
b、气缸盖热机耦合失效机理分析；用于获得不同分区
c、根据气缸盖不同失效模式对气缸盖进行分区；
d、气缸盖各个分区的材料性能测试；
e、对气缸盖不同分区采用不同的损伤模型和寿命预估模型；
f、确定气缸盖疲劳寿命。
进一步的，在步骤a中，通过测温试验或有限元仿真方法获得气缸盖温度场；通过应力应变测试或有限元静力学仿真分析获得气缸盖应力场。
进一步的，通过气缸盖测温试验确定底面测点，采用温度传感器确定各点温度；或通过燃烧换热分析及有限元流固耦合分析；或采用第三类换热边界条件计算，获得温度场。
进一步的，步骤c中，通过失效模式判定准则确定气缸盖疲寿预估分区：常规机械疲劳区、热疲劳区、高温机械疲劳区、热机耦合疲劳区、蠕变疲劳区。失效模式判定准则是常规疲劳失效准则，见疲劳相关书籍，如机械工业出版社的《抗疲劳设计——方法与数据》。
本专利是通过热机耦合计算对气缸盖进行分区，采用现有的计算方法对不同区域进行计算，即将现有的疲劳设计方法应用到气缸盖的不同区域，不同区域是结合热机耦合计算进行划分的。
进一步的，步骤e)中，机械疲劳区，结合气缸盖工况参数和解剖样件对称循环疲劳试验的测试数据，得到高周疲劳区的应力循环特性，拟合气缸盖在应力比r＝-1为时的危险部位σ-N曲线，表达式为：
采用Goodman方法修正平均应力不为0的σ-N曲线，公式为：
(Sa/Sa(R＝-1))+(Sm/Su)＝1
经过平均应力修正，根据S-N曲线，即可求得该区域的疲劳寿命Nf。
低周疲劳时，零件的疲劳破坏从应变集中部位的最大应变处起始，在裂纹萌生前都产生一定的局部塑性变形，因此采用局部应力应变法，其应变-寿命曲线表达式为：
当Δεp＞Δεe时，塑性应变占主导，
当Δεp＜Δεe时，弹性应变占主导，
该步骤所给的表达式即为机械区的计算方法。
进一步的，步骤e)中，热疲劳：温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳成为热疲劳，通常可以看作温度周期变化下的低周疲劳，疲劳寿命方程为：
ΔεpNZ＝C。
进一步的，步骤e)中，高温蠕变疲劳，高于蠕变温度，疲劳强度急剧下降。疲劳寿命综合考虑塑形应变和蠕变应变，疲劳寿命方程为：
其中：Npp为拉伸塑性应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Npc为拉伸塑性应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命；
Ncp为拉伸蠕变应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Ncc为拉伸蠕变应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命。
该步骤给的是热疲劳且发生蠕变时的方法。热疲劳是热负荷变化大但应力不高的区域，热机耦合区指热负荷和机械应力都较高的区。
进一步的，步骤f)中，综合各区损伤模型，拟合气缸盖不同材料区域在不同温度、不同应力周期下的S-N曲线预估气缸盖总体疲劳寿命。
相对于现有技术，本发明所述的一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法，具有以下优势：
本发明所述的方法，以分区计算可以使计算更有针对性，综合各区损伤模型，拟合气缸盖不同材料区域在不同温度、不同应力周期下的S-N曲线预估气缸盖总体疲劳寿命。
针对气缸盖不同部位材料特性、载荷工况不同的问题，确定一种分区疲劳分析方法预估气缸盖疲劳寿命，减少常规疲劳分析中由于失效模式不同导致的偏差问题，并且为采用软件一次性完成整个气缸盖疲劳寿命预估提供了技术支撑。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是气缸盖分区疲劳寿命预估流程；
图2气缸盖测温试验示意图；
图3气缸盖温度场计算结果示意图；
图4气缸盖应力试验示意图；
图5气缸盖应力场计算结果示意图；
图6气缸盖解剖取样位置示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
1，一种发动机气缸盖疲劳寿命预估方法，其特征是包括以下步骤：
a、通过测温试验或有限元仿真方法获得气缸盖温度场
例如：气缸盖主要高温区在底面，某气缸盖测温试验确定底面测点如图2所示，采用温度传感器确定各点温度；或通过燃烧换热分析及有限元流固耦合分析；或采用第三类换热边界条件计算，获得温度场如图3所示。
b、通过应力应变测试或有限元静力学仿真分析获得气缸盖应力场。
例如：某气缸盖应力测点如图4所示，通过电测试验确定各点的应力；或通过有限元静强度分析获得应力场如图5所示。
c、结合气缸盖热机耦合分析结果和失效模式判定准则将气缸盖分为:常规机械疲劳区、热疲劳区、高温机械疲劳区、热机耦合疲劳区、蠕变疲劳区。
d、可根据气缸盖产品一致性情况，对不同分区的材料疲劳性能进行解剖测试。
例如：如图6所示某气缸盖本体解剖测试取样位置布置。
e、对不同的失效模式采用不同的损伤模型，计算不同损伤模式下的疲劳寿命。
a)机械疲劳：常规疲劳设计法，即名义应力法，结合气缸盖工况参数和解剖样件对称循环疲劳试验的测试数据，得到高周疲劳区的应力循环特性，拟合气缸盖在应力比r＝-1为时的危险部位σ-N曲线，表达式为：
采用Goodman方法修正平均应力不为0的σ-N曲线，公式为：
(Sa/Sa(R＝-1))+(Sm/Su)＝1
经过平均应力修正，根据S-N曲线，即可求得该区域的疲劳寿命Nf。
低周疲劳时，零件的疲劳破坏从应变集中部位的最大应变处起始，在裂纹萌生前都产生一定的局部塑性变形，因此采用局部应力应变法，其应变-寿命曲线表达式为：当Δεp＞Δεe时，塑性应变占主导，
当Δεp＜Δεe时，弹性应变占主导，
b)热疲劳：温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳成为热疲劳，通常可以看作温度周期变化下的低周疲劳，疲劳寿命方程为：
ΔεpNZ＝C
c)高温蠕变疲劳：高于蠕变温度，疲劳强度急剧下降。疲劳寿命综合考虑塑形应变和蠕变应变，疲劳寿命方程为：
其中：Npp为拉伸塑性应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Npc为拉伸塑性应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命；
Ncp为拉伸蠕变应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Ncc为拉伸蠕变应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命。
g、确定气缸盖疲劳寿命。
综合各区损伤模型，拟合气缸盖不同材料区域在不同温度、不同应力周期下的S-N曲线预估气缸盖总体疲劳寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种气缸盖分区疲劳寿命预估方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、对气缸盖进行温度场、应力场及其时变特征进行测试或仿真；
b、气缸盖热机耦合失效机理分析；
c、根据气缸盖不同失效模式对气缸盖进行分区；
d、气缸盖各个分区的材料性能测试；
e、对气缸盖的分区应用对应的损伤模型和寿命预估模型；
f、确定气缸盖疲劳寿命；
步骤e)中，机械疲劳区，结合气缸盖工况参数和解剖样件对称循环疲劳试验的测试数据，得到高周疲劳区的应力循环特性，拟合气缸盖在应力比r＝-1为时的危险部位σ-N曲线，表达式为：
采用Goodman方法修正平均应力不为0的σ-N曲线，公式为：
(Sa/Sa(R＝-1))+(Sm/Su)＝1
经过平均应力修正，根据S-N曲线，即可求得疲劳寿命Nf，
低周疲劳时，零件的疲劳破坏从应变集中部位的最大应变处起始，在裂纹萌生前都产生一定的局部塑性变形，因此采用局部应力应变法，其应变-寿命曲线表达式为：
当Δεp＞Δεe时，塑性应变占主导，
当Δεp＜Δεe时，弹性应变占主导，
步骤e)中，热疲劳：温度循环变化产生的循环热应力所导致的疲劳成为热疲劳，通常可以看作温度周期变化下的低周疲劳，疲劳寿命方程为：
ΔεpNZ＝C；
步骤e)中，高温蠕变疲劳，高于蠕变温度，疲劳强度急剧下降，疲劳寿命综合考虑塑形应变和蠕变应变，疲劳寿命方程为：
其中：Npp为拉伸塑性应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Npc为拉伸塑性应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命；
Ncp为拉伸蠕变应变，压缩塑性应变下的疲劳寿命；
Ncc为拉伸蠕变应变，压缩蠕变应变下的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的气缸盖分区疲劳寿命预估方法，其特征在于：在步骤a中，通过测温试验或有限元仿真方法获得气缸盖温度场；通过应力应变测试或有限元静力学仿真分析获得气缸盖应力场。
3.根据权利要求2所述的气缸盖分区疲劳寿命预估方法，其特征在于：通过气缸盖测温试验确定底面测点，采用温度传感器确定各点温度；或通过燃烧换热分析及有限元流固耦合分析；或采用第三类换热边界条件计算，获得温度场。
4.根据权利要求1所述的气缸盖分区疲劳寿命预估方法，其特征在于，步骤c中，通过失效模式判定准则确定气缸盖疲寿预估分区：常规机械疲劳区、热疲劳区、高温机械疲劳区、热机耦合疲劳区、蠕变疲劳区。
5.根据权利要求4所述的气缸盖分区疲劳寿命预估方法，其特征在于，步骤f)中，综合各区损伤模型，拟合气缸盖不同材料区域在不同温度、不同应力周期下的S-N曲线预估气缸盖总体疲劳寿命。
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