发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法技术

本发明专利技术涉及一种发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，包括建立有限元网格模型；加入装配关系后建立温度场分析模型，进行温度场分析；进行缸盖应力分析；获取最小疲劳安全系数；优化缸盖结构，全模型中提取缸盖模型位移及温度边界；参照低周疲劳试验循环工况对边界进行处理；子模型加载循环工况边界进行应力分析；缸盖低周疲劳寿命分析；获得较准确低周疲劳寿命结果。本发明专利技术发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，能准确分析缸盖低周疲劳寿命；使用子模型方法，减小低周疲劳循环工况应力分析模型，提高分析效率；低周疲劳寿命分析能够综合考虑机械、氧化及蠕变损伤，准确的分析缸盖低周疲劳寿命。周疲劳寿命。周疲劳寿命。

【技术实现步骤摘要】
发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法


[0001]本专利技术涉及发动机结构设计分析领域，具体的说，是涉及一种发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法。

技术介绍

[0002]气缸盖结构复杂，承受交变机械载荷及热负荷，发动机冷热交替易使缸盖产生低周热机疲劳失效，随着发动机的发展，缸盖工作温度越来越高，导致发生蠕变失效的概率增加。近年来缸盖热机疲劳失效问题一直是行业研究的重点，也是难点，现有缸盖疲劳以高周疲劳分析为主，极少数会进行低周疲劳寿命预测，且低周疲劳分析具有分析模型大，分析周期长，准确度低等缺点。

技术实现思路

[0003]针对上述现有技术中的不足，本专利技术通过与低周疲劳试验对标，形成一种模型较简化且与试验工况一致，提高分析效率、具有较高的准确度的发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法。
[0004]本专利技术所采取的技术方案是：
[0005]本专利技术相对现有技术的有益效果：
[0006]本专利技术发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，
[0007]1)设置分析步骤S与缸盖低周疲劳试验循环工况一致，能较准确分析缸盖低周疲劳寿命；
[0008]缸盖低周疲劳试验的一个循环包括发动机升温
‑
保温
‑
降温三个过程，主要考核发动机缸盖承受冷热冲击下的低周热机疲劳性能，试验中会对升温、保温及降温三个过程设定相应的时间。温度场分析与试验循环历程保持一致，分为升温
‑
保温
‑
降温三个过程，参照试验温度测试曲线，将升温过程划分为四个时间段，降温过程划分为三个时间段进行缸盖温度场及强度，可以得到与试验循环工况一致的温度及强度分析结果，使用计算得到与试验工况一致的强度分析结果进行低周疲劳寿命分析，可以得到与低周疲劳试验工况较一致的低周疲劳寿命。
[0009]2)使用子模型方法，减小低周疲劳循环工况应力分析模型，提高分析效率；
[0010]缸盖结构复杂，为了获得准确分缸盖低周疲劳寿命结果，在一些易发生失效的区域需要尽可能保留缸盖的几何特征，有些地方就必须制作成比较细小的网格而导致缸盖本身网格数较多，若使用整个缸盖模型计算低周疲劳寿命，分析模型就会非常大，计算时间较长，计算结果文件可达100Gb以上，而使用缸盖模型可以减小循环工况分析模型，缩短计算时间，减小分析结果文件，提高分析效率。比如用全缸盖模型进行分析，需要工作站计算时间需要60小时左右，计算结果文件100Gb以上，而使用子模型进行计算时间只需要8
‑
10小时，且结果文件只有10Gb左右。
[0011]选取如附图子模型作为分析对象是因为发动机缸盖低周疲劳失效多发生在冷热
交替、温度变化较大的位置，缸盖火力面区域在发动机上承受冷热交替的热载荷，易发生低周热机疲劳失效，且以往发动机低周疲劳失效均发生在缸盖火力面区域，故选取火力面区域作为子模型进行缸盖低周疲劳寿命分析对象。
[0012]3)编写程序能够快捷提取并处理低周循环工况分析边界；
[0013]缸盖全模型中将火力面网格提取出来作为子模型，子模型所有网格节点做一个集合命名为set1；
[0014]子模型与全模型分割面上的网格节点作为一个集合命名为set2；
[0015]全模型进行怠速和额定功率点工况的强度计算，计算过程中输出dat格式的文件保存set1集合的温度信息及set2集合的位移信息；
[0016]编写MATLAB程序1，通过查找关键字的方法可以读取dat文件中怠速和额定功率点工况set1和set2节点的温度及位移信息并记录下来，set1的温度信息和set2的位移信息可自动输出为abqinp格式的文件，得到怠速和额定功率点工况的位移温度边界共四个文件，分别为怠速工况下set1的温度边界和set2的位移边界；额定功率点工况 set1的温度边界和set2的位移，位移边界包括节点X/Y/Z三个方向的位移。
[0017]结构主要是靠位移驱动才会产生应力，全模型输出位移边界给子模型，是为了保证分割面的位移与全模型保持一致。
[0018]怠速工况下set1的温度信息文件命名为TBC
I
,额定功率点set1的温度信息文件命名为TBC
R
，怠速工况下set2的位移信息文件命名为DBC
I
，额定功率点set2的位移信息文件命名为DBC
R
；
[0019]怠速到额定功率点工况代表低温到高温的升温过程，在升温的前段时间温度升高的快，后半段温度升高较缓，将升温过程分为若干个时间段，则需要获得若干时间点的温度及位移边界；
[0020]编写MATLAB程序2，对四个边界文件按照低周疲劳循环工况进行处理，不同时间点的温度及位移边界可以通过程序自动获取，程序中位移和温度边界计算公式如下:
[0021]T(i)＝T
R
‑
(T
R
‑
T
I
)*K
i
[0022]U(i)＝U
R
‑
(U
R
‑
U
I
)*K
i
[0023]其中T(i)为时间点的温度，T
R
为额定功率点温度，T
I
为怠速温度，U(i)为时间节点的位移，U
R
为额定功率点位移，U
I
为怠速位移，K
i
为变量参数，K
i
通过试验测试及经验获得；
[0024]程序为每个时间点形成并输出一个温度边界文件和一个位移边界文件，保存不同时间点的set1的温度及set2的位移信息，命名为TBC
i
和DBC
i
。
[0025]4)低周疲劳寿命分析能够综合考虑机械、氧化及蠕变损伤，较准确的分析缸盖低周疲劳寿命。
[0026]通过试验获取不同温度下缸盖材料循环应力应变曲线、应变寿命曲线、蠕变曲线和热机疲劳性能参数等准确边界条件。
附图说明
[0027]图1是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的流程图；
[0028]图2是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的低周疲劳寿命分析循环工况图；
[0029]图3是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的位移边界图；
[0030]图4是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的温度边界图；
[0031]图5是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的缸盖低周疲劳试验图；
[0032]图6是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的全局模型与子模型关系图；
[0033]图7是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的燃烧气体温度及换热系数边界图；
[0034]图8是发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法的总损伤图。
具体实施方式
[0035]以下参照附图及实施例对本专利技术进行详细的说明：
[0036]附图1
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，其特征在于，步骤S100，开始；步骤S101，获取缸盖疲劳分析所需要的数模及相关装配参数，建立有限元网格模型；步骤S102，加入装配关系后建立温度场分析模型，映射缸内燃烧及水套换热边界进行温度场分析；获取缸盖疲劳分析所需要的数模及相关装配参数，在有限元前处理软件中将3D数模进行网格离散处理，建立有限元网格模型；建立网格模型后,在前处理软件中按实际装配边界建立各个零件之间的装配关系；设置温度场分析，建立缸体缸盖温度场分析模型，通过网格映射将缸内燃烧和冷却水套换热系数及温度边界映射到缸体缸盖结构网格上进行缸盖温度场分析；步骤S103，查看缸盖温度场分析结果并在相同工况下与缸盖温度场测试结果进行对标；缸盖温度场分析结果是指综合考虑冷热边界后，热传导分析稳定后结构实际的温度；步骤S104，判断是否满足温度场对标条件；满足温度场对标条件，跳转步骤S106；不满足对标条件跳转步骤S105；相同工况指：怠速和额定功率点工况；步骤S105，调整燃烧及水套换热边界，跳转步骤S102；重新计算温度场，直至满足温度场对标条件为止；步骤S106，进行缸盖应力分析；步骤S107，获取缸盖应力分析结果进行缸盖高周疲劳分析，获取最小疲劳安全系数；在FEMFAT疲劳分析软件中用四个缸爆发压力分析步计算的应力结果做为一个循环进行高周疲劳强度分析；步骤S108，判断是否满足高周疲劳设计要求，看高周疲劳分析安全系数是否大于1.1，大于1.1则满足疲劳设计要求，小于则不满足；若满足高周疲劳设计要求跳转步骤S110；不满足高周疲劳设计要求跳转步骤S109；则需要针对缸盖薄弱位置进行优化，直至满足高周疲劳设计要求；步骤S109，优化缸盖结构，针对安全系数较小的薄弱位置结构进行加厚加强处理，跳转步骤S101；步骤S110，全模型中提取缸盖模型位移及温度边界；步骤S111，参照低周疲劳试验循环工况对边界进行处理；步骤S112，子模型加载循环工况边界进行应力分析；步骤S113，缸盖低周疲劳寿命分析；使用试验测试得到准确的缸盖热机疲劳参数；综合考虑氧化、蠕变及机械载荷作用，能够获得较准确低周疲劳寿命结果；步骤S114，判断是否满足设计要求，看低周疲劳分析循环寿命是否大于试验规范的循环次数，大于试验规范的循环次数则满足低周疲劳设计要求，小于则不满足。不满足设计要求跳转步骤S109，满足设计要求跳转步骤S115；步骤S115，结束。2.根据权利要求1所述发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤S102，缸内燃烧在缸体缸盖之间形成的密闭空间进行，温度及换热系数映射按以下步骤：
步骤S201、在缸体缸盖结构上将与燃烧气体接触的部分网格生成一层很薄的面网格，该层面网格与结构网格共节点，即共享边界信息；步骤S202、将面网格导出为inp格式的文件，里面含有网格编号及位置信息；步骤S203、inp文件输入给燃烧分析映射气体测的温度及换热系数，匹配位置关系将燃烧分析得到的温度及换热系数信息映射到该层面网格上位置一致的网格编号上并保存在inp文件中；步骤S204、温度场分析时，读取映射温度及换热系数后的inp文件，通过查找相同的网格编号将inp文件中该编号的温度及换热系数输入到温度场分析模型中作为温度场分析的热边界；水套温度及换热系数边界也采用相同的方法映射到结构网格上作为温度场分析的冷边界；在分析软件中提交考虑缸内燃烧及水套散热的冷热边界的热传导分析任务。3.根据权利要求1所述发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤S104，热传导分析稳定后查看缸盖在怠速和额定功率点工况的温度分布，并与相同工况下的温度场测试结果进行对标，若分析结果与测试结果误差在5％以内，则认为满足温度场对标条件，温度误差超过5％则认为不满足温度对标条件，需要检查温度场分析边界条件；参考温度场对标结果重新进行燃烧分析及水套CFD分析后获得新的温度及换热系数边界重新映射后计算温度场，直至满足温度场对标条件为止。4.根据权利要求1所述发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤S106和步骤S107，温度场分析满足对标条件后，进行下一步的缸盖应力场分析；分析模型各零件需要按实际装配关系建立准确的接触属性；应力场分析设置以下分析步骤：步骤S301、施加缸盖螺栓预紧力；步骤S302、应力分析模型读取怠速工况温度场分析结果，与读取映射的燃烧边界一样，通过读取温度场分析结果中的网格节点信息，将应力分析模型中与温度场分析模型相同的节点编号一一对应，将温度场分析后的温度结果传递到应力模型中，分析缸盖热应力；步骤S303、应力分析模型读取额定功率点工况温度场分析结果分析缸盖热应力；步骤S304、第一缸内施加爆发压力载荷，在火力面和缸孔上加载与最大爆发压力相同的压强载荷；步骤S305、第二缸内施加爆发压力载荷，在火力面和缸孔上加载与最大爆发压力相同的压强载荷；步骤S306、第三缸内施加爆发压力载荷，在火力面和缸孔上加载与最大爆发压力相同的压强载荷；步骤S307、第四缸内施加爆发压力载荷，在火力面和缸孔上加载与最大爆发压力相同的压强载荷；缸盖应力分析综合考虑了装配、热应力及气体爆压对缸盖的影响；缸盖应力分析计算完成后，使用应力分析中的四至七分析步即1
‑
4缸点火工况作为一个高周循环进行高周疲劳强度分析，获取缸盖结构最小疲劳安全系数，若不满足高周疲劳
设计要求，则需要针对缸盖薄弱位置进行优化，直至满足高周疲劳设计要求。5.根据权利要求1所述发动机缸盖模型低周疲劳寿命分析方法，其特征在于：所述步骤S110，缸盖全模型中将火力面网格提取出来作为子模型；子模型所有网格节点做一个集合命名为set1；子模型与全模型分割面上的网格节点作为一个集合命名为set2；全模型进行怠速和额定功率点工况的强度计算，计算过程中输出dat格式的文件保存set1集合的温度信息及set2集合的位移信息；编写MATLAB程序1，通过查找关键字的方法可以读取dat文...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏涛，曾小春，骆旭薇，袁晓军，邹萍萍，项盼盼，王功成，徐颖韬，
申请(专利权)人：江铃汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：