基于熱-流-固耦合的氣缸蓋疲勞壽命預測方法研究.pdf

1、氣缸蓋是發(fā)動機的關(guān)鍵重要零件之一，結(jié)構(gòu)和形狀復雜，其與活塞共同形成燃燒室，在工作中承受高溫、高壓的燃氣壓力和螺栓預緊力；氣缸蓋的溫度、應力和應變發(fā)生周期性的變化，容易產(chǎn)生疲勞破壞。這就需要對氣缸蓋疲勞壽命進行分析研究，氣缸蓋一個完整的疲勞分析應該包括高周和低周疲勞分析，氣缸蓋的高周疲勞主要是循環(huán)爆發(fā)壓力產(chǎn)生的應力幅和熱載荷產(chǎn)生的平均應力造成的；低周疲勞主要是由于發(fā)動機重復啟動和關(guān)閉產(chǎn)生循環(huán)熱應力導致的；熱應力是由于溫度載荷產(chǎn)生的，目前氣

2、缸蓋考慮溫度影響時，多采用熱-流-固耦合方式進行應力分布分析。對上述氣缸蓋疲勞壽命預測有兩種方法：一種是試驗方法，這種方法雖然可靠，但耗資大，工作繁瑣，進度慢；一種方法是疲勞壽命分析法，這種方法是依據(jù)材料的屬性，結(jié)合載荷歷程選取疲勞壽命分析模型來計算分析出構(gòu)件的疲勞壽命，這種方法分析模型較多，若對氣缸蓋疲勞壽命預測選擇不合適的分析模型，則會導致其壽命結(jié)果誤差大。
　　針對上述問題，本文以某柴油機氣缸蓋為研究對象，采用整場求解法對氣

3、缸蓋與冷卻液進行直接熱-流耦合計算，得到氣缸蓋的溫度場。將氣缸蓋各節(jié)點溫度與預緊力、爆發(fā)壓力耦合在一起對氣缸蓋進行熱-固耦合計算。研究了氣缸蓋在機械載荷與熱-固耦合下的應力分布，得到氣缸蓋應力集中區(qū)域。采用完全瞬態(tài)法分別對氣缸蓋在機械載荷下和熱-固耦合下進行瞬態(tài)動力學分析，將得到的應力、應變時間歷程作為氣缸蓋壽命預測載荷譜的依據(jù)。對于氣缸蓋高周疲勞問題，研究了多種疲勞壽命分析模型對其預測壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋壽命預測的模型；對

4、于氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題，通過標準試件對此問題進行了研究，得到研究氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞壽命預測的一種方法。
　　本文主要研究內(nèi)容：
　?。?）氣缸蓋熱-流-固耦合分析
　　以ANSYS流場分析軟件FLUENT為工具，通過經(jīng)驗公式計算氣缸蓋熱載荷邊界條件，得出不同區(qū)域施加的換熱系數(shù)、溫度及冷卻液進出口邊界條件。運用整場求解方法，選擇控制方程，對氣缸蓋和冷卻液進行直接熱-流耦合仿真分析。研究了冷卻液流

5、場、溫度場和氣缸蓋的溫度場的流速與溫度分布情況，最終得到氣缸蓋各節(jié)點溫度。將氣缸蓋各節(jié)點溫度映射到ANSYS結(jié)構(gòu)分析的氣缸蓋組合模型中，在ANSYS中對氣缸蓋組合模型進行預緊工況、爆發(fā)工況和熱-固耦合工況的靜態(tài)計算。研究了各工況氣缸蓋的應力分布，找出了氣缸蓋的應力集中區(qū)域與影響應力集中的載荷。
　?。?）氣缸蓋高周疲勞壽命預測方法研究
　　對氣缸蓋分別進行機械載荷和熱-固耦合的瞬態(tài)動力學分析，得出應力-時間、應變-時間歷程，

6、為氣缸蓋的疲勞壽命預測提供了應力譜數(shù)據(jù)。運用疲勞分析軟件DesignLife對氣缸蓋進行高周疲勞壽命預測。分別研究了氣缸蓋在機械載荷和熱-固耦合作用下選用三種不同損傷參量臨界面模型對氣缸蓋疲勞壽命的影響，得到一種適用于氣缸蓋的疲勞壽命預測的臨界面損傷參量模型，為氣缸蓋疲勞壽命設計提供一種可靠地壽命預測模型與理論依據(jù)。
　　研究了機械、熱載荷對氣缸蓋火力面高周疲勞壽命的影響，發(fā)現(xiàn)施加熱載荷后疲勞壽命最低位置位于火力面鼻梁處，在進行壽

7、命預測時必須考慮熱載荷的影響.
　?。?）影響氣缸蓋疲勞壽命的因素研究
　　重點研究了表面粗糙度對氣缸蓋壽命的影響。通過設置不同的表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命進行計算，得到不同表面粗糙度系數(shù)對氣缸蓋疲勞壽命的影響曲線。
　?。?）探索了通過使用標準試件對氣缸蓋進行低周疲勞壽命預測的方法
　　通過標準試件對氣缸蓋啟動-停車循環(huán)的低周疲勞問題進行了研究。壽命預測分析方法選擇ε?N曲線法對標準試件進行壽命預測分析，得