我们针对机械疲劳考核中出现的气缸盖开裂问题,运用疲劳试验及仿真评估技术,对缸盖失效位置进行疲劳强度评价,研究结构改进设计和材料性能强化对疲劳安全系数的影响。最终提出满足设计要求的改进方案,并顺利通过机械疲劳试验考核。

以某柴油机气缸盖为研究对象,开展了气缸盖低周疲劳试验方法研究和仿真分析评估工作,用以评价气缸盖的低周疲劳寿命。在试验研究中,考虑螺栓预紧载荷,结合刚度匹配计算,使气缸盖在试验状态下的预紧状况与整机接近,在燃气热负荷试验台上对气缸盖开展了2 000次低周疲劳考核,经探伤未发现热裂纹。基于子模型分析技术,运用塑性应变能理论,计算了气缸盖火力面考察点的低周疲劳寿命,分析表明,寿命最低的考察点位于排气鼻梁区,其寿命为2 863次。试验和仿真结果均表明,该气缸盖满足低周疲劳寿命大于等于2 000次的设计要求,验证了气缸盖低周疲劳试验方法的合理性和有限元分析的准确性。

采用子模型方法和Sehitoglu模型对某增压柴油发动机气缸盖开展了详细的热机疲劳寿命预测研究。通过采用缸内燃烧模拟分析、水套冷却分析来为缸盖温度场分析提供热分析边界,冷却水侧采用FEA与CFD耦合计算分析方法,使得计算边界条件更加精确合理。基于有限元方法计算了整机标定工况和怠速工况下气缸盖温度和应力应变,采用子模型方法并考虑材料非线性获得了气缸盖在发动机冷热交替热冲击试验工况下的应力应变历程。基于Sehitoglu模型计算得到了气缸盖热机疲劳损伤和寿命,计算结果表明该气缸盖最小寿命为5 038次,位于第3缸火力面排气座圈附近,高于轻卡评价标准5 000次寿命要求,热机疲劳损伤中由温度因素主导的氧化损伤占主导作用,其次是机械损伤,蠕变损伤贡献最小。

以某发动机气缸盖为研究对象,开展了气缸盖本体材料力学性能测试与表征、气缸盖热机疲劳寿命预测研究工作。采用流固耦合方法,获得了准确的气缸盖热边界和温度场结果,温度场计算值与实测结果相符合。依照整机热冲击试验规范,采用Sehitoglu模型对缸盖的热机疲劳寿命进行了预测,仿真结果显示,缸盖最低寿命出现在第二缸火力面排气侧鼻梁区,主要由环境损伤引起,最低寿命为6860次,满足设计要求,该气缸盖顺利通过整机热机疲劳台架试验考核。