【技术实现步骤摘要】
基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测方法
[0001]本专利技术涉及一种基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测方法，属于发动机气缸盖领域。
技术介绍
[0002]车用发动机气缸盖是发动机最重要的承载部件，其工作过程中长时间承受高周疲劳载荷。气缸盖结构功能复杂，铸造过程中不同位置冷却速度等铸造行为差异明显，造成气缸盖不同位置微组织和孔隙缺陷等内部特征差异性高。在高周疲劳工况下，裂纹萌生寿命主导高周疲劳寿命，不同位置的孔隙缺陷分散性导致裂纹萌生寿命的高分散性。同时由于气缸盖结构复杂，不同位置载荷多轴度差异性高，也导致不同位置高周疲劳寿命分散性大。作为非维修部件，气缸盖通常为无限寿命设计，其服役载荷工况对应材料疲劳极限区域，疲劳极限区域疲劳行为受材料本体孔隙缺陷特征影响明显，呈现高缺陷和组织特征相关的高分散性。上述内部微结构和外部载荷特征分散性导致气缸盖高周疲劳强度评估精度低。
[0003]当前气缸盖高周疲劳强度评估以宏观S
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N曲线方法为主，该方法不适用于缺陷材料的强度评估，且不易耦合本体...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：针对气缸盖不同位置微组织及力学性能差异性高的特点，根据气缸盖铸造过程仿真结果所得的材料微组织特征尺寸分布，基于微组织
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屈服强度预测公式，得到气缸盖不同位置材料屈服强度分布；所得的不同位置材料屈服强度也作为后续步骤五实现不同位置材料小裂纹扩展速度预测的输入；根据工程要求确定气缸盖结构材料力学特征差异程度临界值；根据屈服强度差异程度计算公式计算气缸盖不同位置屈服强度和气缸盖预期屈服强度之间的差异程度，当某位置差异程度大于差异程度临界值时，则划分该位置为一个新的分析区域，由此得到若干气缸盖不同位置分析区域；步骤二：对步骤一划分的各分析区域原位切取若干个小尺寸样块进行三维断层扫描重构以提取各样块所有孔隙体积，基于三维当量尺寸计算方法得到各样块所有孔隙尺寸，并比较各尺寸以得到各样块最大孔隙尺寸；对得到的各分析区域的所有样块的最大孔隙尺寸进行概率分布拟合，拟合得到各分析区域的最大孔隙尺寸概率密度函数和累计概率密度函数；根据各分析区域最大孔隙尺寸累计概率密度函数的反函数得到各区域不同可靠度概率对应的最大孔隙尺寸值，作为后续步骤四实现不同可靠度对应的疲劳裂纹萌生孔隙尺寸预测的输入，也作为后续步骤五不同区域小裂纹扩展速度积分的下限值输入；步骤三：通过危险截面遍历法计算各区域多轴应力幅值最大值；首先提取气缸盖组合结构有限元计算结果中爆发压力载荷步施加前后有限元单元应力张量，通过应力计算公式计算各单元应力幅张量和平均应力张量；然后通过遍历方法确定所有待计算截面；任一截面方向由2个角度坐标(γ)确定，在180
°
范围内，以预设固定角度δ为旋转角度步长，分别旋转2个方向的坐标，每个方向均分为180
°
/δ个角度值，每旋转一次确定一个待计算截面；然后通过正应力计算公式计算该截面正应力幅值和平均值，通过剪应力计算公式计算该截面剪应力幅值和平均值，通过修正最大剪应变能量准则计算该截面等效应力幅值和平均值；针对气缸盖组合结构复杂、有限元单元数量庞大的特点，构建形式简洁且适用于大范围遍历计算的Gerber型多轴应力幅值计算模型，通过所述Gerber型多轴应力幅值求解模型遍历求解各截面的多轴应力幅值，提高多轴危险截面遍历效率；然后比较各有限元单元所有截面的多轴应力幅值，取最大值为该单元的最大多轴应力幅值；最后对各分析区域所有有限元单元的最大多轴应力幅值比较，取最大值为该区域的最大多轴应力幅值；步骤四：以步骤二得到的不同可靠度对应的最大孔隙尺寸和步骤三得到的各分区区域最大多轴应力幅值为输入，结合最大塑性剪切应变驱动的Manson
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Coffin型模型构建分区概率裂纹萌生寿命模型，使用所述分区概率裂纹萌生寿命模型能够表征气缸盖不同区域孔隙缺陷分布特征和气缸盖高周疲劳工况载荷多轴特征对高周疲劳裂纹萌生寿命影响，并适用于不同工程可靠性需求下的寿命预测，根据所述分区概率裂纹萌生寿命模型预测不同可靠度概率对应的疲劳裂纹萌生寿命，提高高周疲劳裂纹萌生寿命概率预测的预测精度；步骤五：以步骤一得到的气缸盖不同区域材料的屈服强度、步骤二得到的不同可靠度对应的最大孔隙尺寸、步骤三得到的各分区区域最大多轴应力幅值作为输入，得到以裂纹尖端循环塑性区尺寸驱动的小裂纹扩展速度模型；通过小裂纹扩展速度模型和后续步骤六中长裂纹扩展速度模型计算临界裂纹尺寸，临界裂纹尺寸为小裂纹扩展速度和长裂纹扩展速度相等时对应的裂纹尺寸；通过积分方法对裂纹尖端循环塑性区尺寸驱动的小裂纹扩展
速度模型积分得到不同可靠度概率对应的小裂纹扩展寿命；积分下限为步骤二确定的不同可靠性概率对应的最大孔隙尺寸，积分上限为临界裂纹尺寸；所述小裂纹扩展速度模型能够表征气缸盖不同区域孔隙缺陷分布特征、气缸盖不同区域材料力学性能分散性特征对高周疲劳小裂纹扩展速度和寿命影响，根据所述小裂纹扩展速度模型，提高对气缸盖不同位置材料高周疲劳小裂纹扩展寿命的预测精度；步骤六：以步骤三得到的各分区区域最大多轴应力幅值作为输入，得到以有效应力强度因子驱动的长裂纹扩展速度模型；根据长裂纹扩展速度模型和步骤五得到临界裂纹尺寸，通过积分方法对长裂纹扩展速度模型积分得到长裂纹扩展寿命；积分下限为步骤五得到的临界裂纹尺寸，积分上限根据实际失效判据要求定义；步骤七：根据步骤四得到的裂纹萌生寿命、步骤五得到的小裂纹扩展寿命和步骤六得到的长裂纹扩展寿命，通过算术求和方法计算得到高周疲劳总寿命，即实现基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测。2.如权利要求1所述的一种基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测方法，其特征在于：还包括步骤八，将步骤一到步骤七的过程应用于不同材料和不同工况的内燃机气缸盖高周疲劳寿命预测中，并应用于不同可靠性使用需求的寿命预测中，根据预测结果对气缸盖不同位置材料和结构进行改进优化，提高整体气缸盖疲劳强度，降低材料设计冗余。3.如权利要求1或2所述的一种基于缺陷尺寸概率的气缸盖高周疲劳寿命分区预测方法，其特征在于：步骤一实现方法为，步骤1.1：根据气缸盖铸造过程仿真结果所得的材料微组织特征尺寸分布，基于微组织
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屈服强度预测公式，得到气缸盖不同位置材料屈服强度分布；所得的不同位置材料屈服强度也作为后续步骤五实现不同位置材料小裂纹扩展速度预测的输入；微组织
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屈服强度预测公式表示为：σ
YS
＝a+b
×
x
GSc
其中，σ
YS
为材料屈服强度，x
GS
为材料微组织特征尺寸，a、b和c为公式拟合参数；步骤1.2：计算气缸盖不同位置屈服强度与该材料预期屈服强...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄渭清，任培荣，左正兴，水有富，李冬伟，赵承章，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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