某柴油机缸盖强度计算
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摘要： 以某4缸轿车用柴油机铝合金缸盖为研究对象，用某CFD软件计算得到水套表面的温度和对流换热系数，用Abaqus计算缸盖稳态温度场、装配载荷下冷机的应力分布、装配状态下的热机应力分布和各缸爆发时刻缸盖的应力分布，结果表明缸盖强度低于材料屈服极限.基于应力结果计算缸盖的高周疲劳安全因数和低周循环次数，结果表明缸盖疲劳安全因数满足使用要求.
关键词： 铝合金缸盖； 温度分布； 热应力； 疲劳安全因数
中图分类号： TH123.3； TB115.1文献标志码： B
引言
发动机缸盖是个结构复杂的零件，在发动机工作中承受缸盖螺栓预紧力、气门座圈的装配应力、温度载荷和交替的燃气压力等作用.[1]缸盖的强度和疲劳安全因数是缸盖设计中的重要参数，模拟计算结果可以给缸盖的设计提供参考和修改依据.
缸盖的应力主要由温度载荷引起[2]，缸内燃气由BOOST计算结果通过等效计算得到，水套的散热边界由流体软件计算得到，其他表面换热边界由经验值给定.使用Abaqus计算缸盖在装配和爆发时的应力分布，使用fesafe软件计算缸盖的高、低周疲劳.用本文计算方法求得缸盖温度相对准确，且具有通用性，可以用于计算不同机型和结构的缸盖热应力.
1计算模型
1.1有限元网格
计算模型包括缸盖、缸垫、缸盖螺栓、气门座圈和简化缸体等.取整个缸盖划分四面体网格，共有1 411 366个单元.缸盖螺栓采用六面体单元，气门座圈使用四面体单元.计算模型见图1.图 1计算模型
1.2材料参数
缸盖的材料是ZL101A，材料的弹性模量为69 GPa，泊松比为0.31，导热系数为150 W/（m·℃），线性膨胀系数为2.03×10-5.缸盖采用砂型铸造，固溶和人工时效处理后，材料抗拉极限为235 MPa[3]，屈服极限为180 MPa.
1.3热边界
用BOOST计算缸内的燃气温度[4]αm=14π∫4π0αgdθ （1）传热系数[4]Tm=∫4π0αgT1dθ ∫4π0αgdθ （2）式中：αm为发动机每个循环的平均传热系数，W/（m2·℃）；Tm为平均燃气温度，℃；αg为燃气瞬时放热系数；θ为曲轴转角；T1为燃气瞬时温度.
缸内燃气温度和传热系数见图2.通常，发动机热负荷与发动机功率呈正相关，为计算出缸盖最大热负荷，选择标定点进行计算，求得平均传热系数为845.15 W/（m2·℃），平均温度为901 ℃.
图 2缸内燃气温度和传热系数
水套的换热边界由流体软件计算得到，进、排气道与自由表面的气体温度和传热系数由经验值给定.[5]
1.4机械载荷
缸盖螺栓按屈服拧紧方式处理，按照螺栓标准计算螺栓的等效直径，确定危险截面，根据危险截面确定螺栓预紧力.缸盖和气门座圈公差的平均值确定气门过座圈盈量.气门承受的燃气压力按气门面积折算为压力，施加到气门的下端面.爆发时刻，在缸盖火力面范围内施加爆发压力16 MPa.
1.5计算工况
共计算9个工况，分别为稳态温度分布、装配冷机应力分布、装配热机应力分布和装配热机等状态下4缸依次爆发时，缸盖应力分布、缸盖高周和低周疲劳分析.
2计算结果
2.1缸盖温度场
温度场由Abaqus与流体软件联合计算[6]，经过3轮迭代，计算结果见图3.缸盖火力面的最高温度为205.8 ℃，出现在火力面偏排气门侧，最低温度出现在进气管侧.
图 3缸盖温度分布
2.2应力计算结果
在装配载荷下，缸盖底平面应力分布见图4.2个排气门之间的区域应力值达到90～100 MPa，进气门和排气门之间的应力值为70～80 MPa.
图 4螺栓预紧工况缸盖底平面应力分布
加温度载荷后，缸盖底平面出水孔处应力值为147.3 MPa.图5中标注的1号鼻梁区应力值为50～55 MPa，2号鼻梁区应力值为70～80 MPa，3号鼻梁区应力值为80～95 MPa.相邻两缸之间的区域，应力值达到100～110 MPa.图 5预紧+热负荷作用下的应力分布
1～4缸依次爆发时缸盖的应力分布见图6～9.缸盖火力面的最大应力值出现在喷油器安装孔偏向排气门处，应力分量以沿曲轴轴线方向的压应力为主.因为2个排气道之间有水道，导致排气门鼻梁区刚度比进气门鼻梁区小，在爆发压力作用下，缸盖底平面较装配热机状态会向上凸起，排气鼻梁变形大，使喷油器安装孔变形后在排气门侧的曲率大于进气门侧，导致圆孔靠近排气门侧应力大.
计算结果表明，缸盖的2和3缸火力面在机械负荷作用下的应力值比1和4缸火力面大，但应力值小于材料屈服强度，缸盖强度满足要求.
2.3高周疲劳计算结果
在fesafe软件中使用高温铝材料（HiTempAluminium），取4缸依次爆发的应力分布作为循环载荷计算高周疲劳[7]，计算结果见图10.最小疲劳安全因数位于1与2缸之间螺栓座与进气门之间的过渡圆角处，安全因数为1.565，缸盖不会发生高周疲劳破坏.
图 10高周疲劳计算结果
2.4低周疲劳计算结果
缸盖低周疲劳计算不考虑燃气压力的作用，模拟发动机由冷机启动到热机过程.低周疲劳使用寿命指数评价，缸盖火力面的寿命指数分布见图11，最小寿命指数为104.374，接近25 000次启停循环，低周疲劳寿命满足10 000次启停要求.
图 11缸盖低周疲劳计算结果
3结论
（1）缸内燃气温度使用BOOST计算，水套边界使用耦合计算，得到缸盖最高温度为205.8 ℃，温度分布与实际缸盖温度分布较接近，且可以用于计算不同类型和结构的缸盖温度.
（2）缸盖在螺栓预紧力、热负荷和爆发压力等作用下，缸盖应力值小于材料限值，缸盖疲劳安全因数和低周疲劳指数满足使用要求.
（3）缸盖的高周疲劳发生在水套内壁的圆角处，低周疲劳问题出现在鼻梁区，因此，在缸盖设计中，高周疲劳和低周疲劳要分开考虑.参考文献：
[1]杨连生. 内燃机设计[M]. 北京： 机械工业出版社， 1980.
[2]肖永宁， 潘克煜， 韩国埏. 内燃机热负荷和热强度[M]. 北京： 机械工业出版社， 1988.
[3]闻邦椿. 机械设计手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2010.
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[5]段峰， 舒歌群， 李志锐， 等. 用有限元法对495汽油机汽缸盖进行结构分析的研究[J]. 小型内燃机与摩托车， 2004（4）： 1516.
[6]郭立新， 杨海涛， 夏兴兰. 某汽油机气缸盖热负荷分析[J]. 现代车用动力， 2006， 4（4）： 1620.
[7]胡定云， 陈泽中， 温世杰， 等. 某柴油机汽缸盖疲劳的可靠性预测[J]. 车用发动机， 2008（6）： 3840.