不同循环工况对发动机缸盖低周疲劳寿命的影响

路明，舒炜，郭小凤，李云涛

1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司，浙江宁波 315336；2.重庆中烟工业有限责任公司，重庆 400060

0 引言

发动机气缸盖所受的载荷非常复杂。发动机台架试验表明，交变类的耐久试验比恒定工况的耐久试验更容易导致缸盖开裂，这是由于温度的周期变化导致结构产生了较大的热应力，并且往往使缸盖局部超过了屈服强度，发生了塑性变形，出现了低周疲劳开裂问题。低周裂纹出现的区域较小，只在一些塑性变形较大的位置出现，一般很难被发现。

在交变耐久台架试验中，循环工况的设置各不相同，为了研究各种循环工况对疲劳寿命的影响，本文利用有限元分析法，基于局部应力应变法，分析一个循环内的相同温差下不同温度变化速率对疲劳寿命的影响，旨在为台架试验工况的选取提供参考。

1 瞬态温度场分析

发动机缸盖主要与高温气体、冷却液以及润滑油存在换热，传热分析有限元模型如图1所示，其部件主要包括缸体、缸盖和气门等。在进行流固耦合传热分析时，固体侧与流体侧遵循能量守恒定律，综合Foutier导热方程和流体对流换热控制方程[1]，可得：

图1 传热分析有限元模型

式中，Kcond为固体导热系数，hconv为近壁面对流换热系数，Tf为近壁面流体温度，Tw为固体壁面温度。

对于流体侧，k-ε采用湍流模型进行换热边界计算，其湍动能方程为[2]：

式中，ρ为流体密度；k为湍动能；μ为流体动力学黏度；μt为湍流动力黏度；Gk为平均速度梯度引起的湍动能项；Gb为由浮力产生的湍动能项；ε为湍动能耗散率；σb为湍流普朗特数。

瞬态温度场分析需要根据循环工况实际控制参数进行边界条件状态的选取，本文研究两种循环工况对温度场的影响，参数控制方式如图2所示。影响温度场结果的参数主要为发动机转速和出水口温度，两种工况的发动机转速控制相同，一个循环包括360 s，在15 s内发动机转速由怠速拉升到额定点，并保持到180 s，然后在15 s内下降到怠速，再保持到循环结束。两种工况一个循环内出水口温度温差相同，最低温度为30 ℃，最高温度为110 ℃，主要区别在于工况1水温变化更明显，而工况2的水温控制更平稳，特别在上升段，水温在180 s的时间内缓慢地升到110 ℃。根据不同工况的控制情况，计算得到缸盖的瞬态温度场[3-5]。

图2 不同工况下的参数控制方式

2 温度结果对比

低周疲劳主要是由温度的高低变化使结构产生较大的塑性变形所致，应力分析依据瞬态温度场的结果，主要考虑温度的变化，本文不考虑缸内燃气压力变化的影响。在燃烧室部位选取两个特征点N147320和N143566（图3），两个节点的温度历程分别如图4和图5所示，可以看出，工况1的温度迅速升到最高并保持，降温的过程也比较剧烈，而工况2升温和降温段比较缓和，工况2的最高温度和最低温度都要比工况1大一些。其中，工况1两节点最高温度为173℃和188℃，最低温度为50℃和63℃，温差分别为123℃和125℃；工况2两节点最高温度为184℃和205℃，最低温度为53℃和69℃，温差分别为131℃和136℃。两种工况温差几乎一致。

图3 燃烧室部位关注节点

图4 节点N147320温度历程

图5 节点N143566温度历程

在排气部位取一个特性点N126946（图6），温度历程如图7所示，工况1、工况2最高最低温度均相差不多，最高温度在149℃，但工况1的高温区更长一些。

图6 排气部位所取节点

图7 节点N126946温度历程

3 应力应变及疲劳寿命结果对比

节点N143566在工况1、工况2下的应力历程分别如图8和图9所示，两种工况应力趋势相同，在前半个循环压应力占主导，最大主应力几乎为零，在温度上升时最小主应力达到最大，随后下降；在后半个循环主要受到拉应力，最小主应力为零。工况1最小主应力在下降段变化更加剧烈，在后半循环工况1最大主应力达到了157 MPa，工况2最高为74 MPa，工况1拉应力较工况2大了1倍。

图8 节点N143566在工况1下的应力历程

图9 节点N143566在工况2下的应力历程

节点N126946在工况1、工况2下的应力历程分别如图10和图11所示，应力趋势与燃烧室的位置一样，压应力的最大值几乎一样，工况1下降得更加明显，而拉应力则区别较大，工况1的最大拉应力达到了331 MPa，而工况2最大为69 MPa，工况1较工况2大了将近5倍，而拉应力对于材料的疲劳是非常不利的。

图10 节点N126946在工况1的应力历程

图11 节点N126946在工况2的应力历程

两节点各项数据对比见表1。可以看出，总体上两点的最高温度和压应力差别不大，而工况1的拉应力比工况2增加明显，燃烧室位置增加了1倍，排气位置增加了将近4倍，塑性应变增加了7倍，最终燃烧室位置寿命由10364次增加到54806次，排气位置寿命则由944次提升到35724次，增加明显。

4 结论

（1）工况2在燃烧室位置的最高温度比工况1高一些，但整个循环下的温差几乎一致，而排气部位最高温度和温差在两种工况下均相差不多，区别在于整个循环下工况2温度的变化更缓和一些，最高温度持续的时间较工况1短。

（2）两种工况应力变化的趋势相同，工况2在压应力下降的阶段比较缓和，且没有工况1下降得多，在拉应力阶段工况1增加得明显，最大达到了工况2的4倍。

（3）工况1排气位置的塑性应变是工况2的7倍，这也是工况2寿命提升明显的主要原因，工况2在两个位置的寿命分别提升了5.3倍和37.8倍，增加非常明显。

可以看出，温度变化比较缓和的工况对整体结构的耐久性能改善明显。