（车辆工程专业论文）气缸盖鼻梁区结构改进分析及可靠性寿命计算.pdf

摘要 气缸盖是内燃机中结构最复杂的构件之一，内燃机在运行过程当中，常常发生气缸盖鼻梁 区部位产生疲劳裂纹失效引起内燃机不能工作的问题。本文研究的目的是对气缸盖进行三维有 限元分析，分析裂纹产生的机理，从而找到能够解决“鼻梁区”疲劳的方案，并对气缸盖的低 周疲劳寿命进行计算。 本文首先用三维造型软件p r o e n g i n e e r w i l d f i r e2 0 建立4 1 0 5 q 柴油机气缸盖其中一缸的三 维几何模型，然后将模型导入到有限元分析软件a n s y s9 0 中，采用不同的网格密度建立有限 元模型。采用第三类传热边界条件，对气缸盖的稳态温度场和应力场分布进行了计算，通过和 同类机型的柴油机z 6 1 1 0 的温度场实测数据的比较，可知计算结果是可信的。同时考察了网格 密度对计算精度的影响。结果表明：在温度场计算中，网格密度对温度计算的精度几乎没有影 响；在应力场计算中，计算结果随网格密度的变化表现出一定的稳定性。通过对气缸盖停机自 然冷却过程中的瞬态温度分布和残余应力分布进行计算，可知“起动一停车”所产生的交变应 力是气缸盖破坏的主要原因。 针对“鼻梁区”产生疲劳破坏的原因，提出了几种鼻梁区的结构改进方案。采用和原方案 相同的边界条件，对结构改进方案的稳态、瞬态温度场、应力场进行了计算。通过和原方案进 行比较，选出了三种能够减小“鼻梁区”应力集中的方案。最后根据计算得到的鼻梁区应变 数据，应用断裂力学的理论，采用局部应力应变法，计算了原方案和三种改进方案气缸盖的低 周疲劳寿命，并从三种方案中选出了一种最佳方案。通过计算可知，改进方案能够有效的提高 气缸盖的使用寿命。 通过本论文研究，得到了气缸盖上稳态、瞬态温度场和应力场的分布规律，并证明了交变 应力是气缸盖鼻梁区疲劳破坏的主要原因，并对低周疲劳寿命进行了简要计算。本文为进一步 优化气缸盖结构，研究气缸盖的疲劳寿命打卜了很好的基础。 关键词：气缸盖，三维有限元，鼻粱区，温度场，应力场 a b s t r a c t c y t i n d e rh e a di s0 1 1 1 ，o f t h cm o s tc o m p l i c a t e dp a r t si nt h ce n g i n e c n g i n aa 坤o t ! i c , 1 1 1m a d eo u t o ff m e t i o nb yt h ef a i l u r eo fc y d hh e a dc a u s e db yt h ef a l i g 啪c k 证t h e - v a l v eb r i d g ew h e nt h e e n g i n e s 勰w o r k i n g t h ep u r p o s l ，o ft h i sp a p e ri sd o i n gl h r d i m e n s i o n a lf i t l i t ce l e m e ma n a l y s i so f c y l i n d c rh e a du s i n gt h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n da n a l y z i n gt h em e c h a u i s mo ff a t i g u e c r a c ka p p e a r e d i n t h e v a l v e b r i d g e a t l a s t t h er e l i a b l e l i f es p a n s o f c y l i n d e r h e a d m c a l c u l a t e d 1 2 i m , 加ec y i i n d 穰o f d i e s e l g i n c4 1 0 5 qw a l lm o d e l e dw i t hp r o ew i l d f i r e2 0a n dt l a em o d e l w a l lt r a n s f e r r e dt ot h et l n e e - d i m c l a s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 脚a 糟a n s y s9 j o f i n i t oe l e m e n t m o d e l sw e i o n 6 9 删u s i n gt w ok i n do fe l e m e n td i m e m i o n t h es t e a d ys t l l t et e m p e n l t l l t e d t h e m u f ls l r e uf i e l d sw mc a l c u l a t e dc h o o s i n gt h et h i r db o u n d a r yc o n d i t i o n s a n dt h ec a l c u l a t e dd a t a w a l l n 驰剃丽i h t h e e x p e r i m e n t a ld a t a o f s i m i l a r d i e s e l a l g i n ez 6 1 1 0 t h e e f f e c t o f m e s hs c a l e t o t h er e s u l tw s sf o u n dt oh a v et i t t l ee f f o c tt ot h em n p e r a t md i s m l 砌t i o na n dt t u t tt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n i ss t e a d y 嬲t h em e s h 雠幽d a m a g e s t r a n s i a a tn l y s i so f 伍e 钯m 球相t i l 站f i e l da n dt b # r e s i d u a l t h e r m a l 卅t 髑曝i nt h ec y l i n d e rh e a dw c f oa l s oa 丑a l y z , x lw h e nk c a g i n cm o p p e dw o r k i n ga n dw a s c o o l e dc l o w n 研t h ea i r a c c o r d i n gt ot h er c 跏l t sc a l c u l a t e , t h ei n t m h a n g i n g 甜嘲c a u s e db y “s 嘶一 s t o p o f t h e a l g i n c i s t l a e m a i n m a m t o t h e f a t i g u e i n l h ec y l i n 曲b e a d i no r d e rt os o l v et h ef a t i g u ep r o b l e mi n 曲时v a l v eb r i d g e , s e v e r a li m l 瑚v e d 蹦n 圮t i 措o fv a l v e b r i d g ew e 坞d 酷i g n c d c h o o s i n gt h em n l eb o u n d a r yc o n d i t i o 越，l h es t e a d ys t a t ea n dl l r a t l s i e l l t t t e m p e r a t u r ea n d t h e r m a ls l z a l 8f i e l d so f e a c hi m p r o v e dd e s i g n a t i o nw a l oe a d e t t l a t e d c o m p a r e dt ot h e o r i g i n a lc a s e , t h r o ed e s i g n a t i o n st h a tc o u l de l i m i n a t et h eg 嘶i nt h cc y l i n d e rh e a dw s e l e e t d l a c c o r d i n gt ot h ed a t ac a l c u l a t e da n di h ci l a g m r , yo ff r a c t u r em 斑h 柚i c l t h el o we y e l ef a t i g u el i f es p 蛆 o ft h eo r i g i n a la n dt h ct h r e es e l e c t e dd e s i g n a t i o n so fe y l i n c k i rh e a dw c i i i c a l c u l a t e d , a n dt h cb e s t d e s i g n a t i o i a 啷曲曲驰扎a c e o r d i n gt o 恤c a l e u l a t 簋l 托幽l i f e 叩铋善o fi m p r o v e dq r u n 橛h e a d s 眦p r o l o n g e d 囊 t h r o u g ht h i ss t u d y , t h et e m p e r a t u r em a d s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h cc y l i n d e rh e a dw c 坤c a l c u l a t e d a n dt h ei n t e r e h a n g i n g 刚n ：鲻i nt h ev a l v eb r i d g ew a it h em a i nr e a s o l lt ot h ef a t i g u ei nt h ec y l i n , i c tw a s l _ r o v e d 讹r e s e a r c hg i v e stg o o df o u n d a t i o nf o rt h ef u t u w o r ko fo p t i m i z i n gt h es t r u e t l l o f c y l i n d e ra n dc a l c u l a t i n gt h ef a t i g u el i f eo f e y l i a d e rh e a d k e y w o r d s ：c y l i n d e rh e a d , t h r e ed i m e n s i o n a lf i r t i t ce l e m e n t , v a l v eb r i d g e , t e m p e r a t u r ef i e l d s l r e s s f i e l d l i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：舌金艺 时间： 。岬年占月鸬日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 白金魃 概 时间：山b 7 年2 f 月易日 ， 时间：2 。订年g 月，p f l 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 内燃机自诞生之日起，就由于具有良好的动力性和经济性丽放广泛地应用到交通运输和工 农业生产中作为一种主要的热能动力机械，内燃机在工作过程中，会有大量的热能的产生与 传递，因此其受热零部件如活塞，气缸盖、缸套等经常会产生由于工作温度过高而产生烧熔、 塑性变形、裂纹乃至疲劳破坏等问题，在很大程度上限制了内燃机动力性和经济性的提高，降 低了内燃机的工作可靠性 随着时代的发展，人们生活水平的提高，人们对内燃机性能的要求越来越高，如动力性， 经济性、捧放和噪声等为了满足这些要求，近年来相继采用了一些新技术，如增压和增压中 冷技术、超高压燃油喷射、可交进气管长度和提高压缩比等这些措施能够很大程度的提高内 燃机的动力性和捧放性但是，随着强化水平的提高，内燃机受热零部件在工作过程中所承受 的热负荷和机械负荷也随之增加，大大降低了内燃机零部件的可靠性寿命因此对内燃机零部 件进行结构强度和可靠性的研究，改进零部件的结构，从而提高内燃机的寿命就显得十分必要 对内燃机受热件所承受的机械负荷和热负荷相比较得知：在所产生的应力中，热负荷占8 0 - 8 5 ， 机械负荷和燃气爆发压力占1 5 - 2 0 ”以气缸盖为例，根据计算结果，2 0 0 g z c 型和y h 2 6 2 6 型发动机捧气门孔鼻梁区的热应力分别为机械应力的3 9 4 和3 6 8 倍闭所以在内燃机燃烧室受 热零部件的结构强度和可靠性研究中，通常把热负荷放在首位研究的内容主要包括? 受热零 部件的温度场分布、热应力场分布、热疲劳寿命预测及结构可靠性设计及冷却系统的传热分析 等长期以来，内燃机的热负荷和可靠性设计一直是内燃机研究领域的重点，许多科技工作者 为此进行了大量艰苦，细致的工作，并取得了大量的成果 目前内燃机热负荷的研究主要集中于受热零部件的蠕变与松弛现象、热，机械多场藕合应 力计算、疲劳寿命预测及工作可靠性计算评定柴油机热负荷水平常用受热零部件的最高工作 温度、最大温度梯度及其对应的熟应力、热应变和受热零部件的最大低频或高频疲劳寿命等 由于内燃机在使用过程中，工况变化频繁，受热件所受的热负荷也随之波动，由工况变化所产 生的交变热应力是零部件破坏的主要原因删本文就是利用有限元方法，模拟气缸盖上的温度 场和应力、应变场的分布，并对可靠性寿命进行了计算。 1 1 内燃机强度和可靠性研究的主要方法和研究现状 1 1 1 内燃机强度和可靠性研究的主要方法 目前，内燃机强度和可靠性的研究方法主要有两种：一种是实验研究，以内燃机的整机或 零部件的实际实验数据、结果为依据，分析强度和可靠性，这种方法的实用性较强；一种是理 论分析计算，利用经典力学和数学方法，例如有限元方法、边界元方法等，通过建立零部件的 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 模型，以计算结果为基础计算强度以及可靠性水平由于实验研究般需要较长的周期和昂贵 的费用，而且实验研究只能在制成的样机上进行，在设计阶段无法进行，因此，人们很早就开 始致力于用理论分析、计算的方法研究内燃机的强度和可靠性问题。 本世纪五十年代以前，分析内燃机豹强度和可靠性问题的方法主要是利用经典力学，将复 杂的实际结构进行简化，例如。将气缸盖简化成火力面至冷却水的一块平板 7 - - 司，成为简单的力 学模型，再寻找一些途径使较复杂的高次超静定或非线性力学模型变为在当时的条件下能够进 行计算的静定、线性或低次超静定模型，从而获得解答但是这种方法一般只适用于各向同性 体范围内的小变形问题而且由于计算模型过于简化，导致计算结果很不精确 随着科学技术的发展，电子计算机计算能力的提高，有限元方法和边界元方法开始获得广 泛的应用 1 9 6 5 年嗜限元”这个名词第一次出现，美国的l u r n e r 等人发表了几篇关于有限元的论文， 之后有限元方法随着计算机技术的发展而不断发展、完善有限元是一种离散化数值分析方法， 有限元的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体。 这些单元由有限个节点相连，每一个节点具有有限个自由度，从而这个集合体就具有有限个自 由度，为计算提供了可能。应用有限元方法可以求解结构形状和边界条件都很复杂的力学问题。 应用领域也很广泛，在机械制造、航空航天、汽车、船舶等各个领域都有广泛的应用利用有 限元方法，可以获得内燃机零部件的温度场分布、应力、应变场分布以及变形分布，应用这些 数据可对内燃机的零部件进行强度校核、寿命计算及优化设计等工作 边界元法是基于控制微分方程的基本解来建立相应的边界积分方程，再结合边界的剖分而 得到的离散算式j m , w o n 和$ y m m 于1 9 6 3 年用间接边界元法求解了位势问题；k i z z o 于1 9 6 7 年用直接边界元法求解了二维线弹性问题；c h 于1 9 6 9 年将此法推广到三维弹性力学问题 1 9 7 8 年，b r e b b i a 用加权余量法推导出了边界积分方程。他指出加权余量法是最普遍的数值方 法。如果以k e l v i n 解作为加权函数，从加权余量法中导出的将是边界积分方程边界元法， 从而初步形成了边界元法的理论体系，标志着边界元法进入系统性研究时期。 经过4 0 年的研究和发展，边界元法已经成为一种精确、高效的工程数值分析方法在数学 方面，不仅在一定程度上克服了由于积分奇异性造成的困难，同时又对收敛性，误差分析以及 各种不同的边界元法形式进行了统一的数学分析，为边界元法的可行性和可靠性提供了理论基 础在方法与应用方面，现在，边界元法已应用到工程和科学的很多领域对线性问题，边界 元法的应用已经规范化；对非线性问题，其方法亦趋于成熟在软件应用方面，边界元法应用 软件已由原来的解决单一问题的计算程序向具有前、后处理功能，可以解决多种问题的边界元 法程序包发展 目前双积分方程的边界元方法，由于需要较少的数据准备。并且可以降低所分析模型的维 数，在一些结构简单的模型分析中得到广泛应用但是边界元法的主要缺点是很难应用在非 常复杂的模型设计方面，如对有复杂结构的气缸盖的结构分析方面，边界元就很难应用有限 元方法由于可以用有限元模型模拟具有非常复杂的结构，并且可以预计一些关注点的应力和应 变等的分布网。在具有复杂结构的内燃机零部件分析中得到了广泛的应用 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过约有半个世纪的 发展。他已日趋成熟，在几乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要的作用。内燃机零部件的 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 设计是有限元技术应用最早的领域之一有限元技术的应用提高了内燃机零部件设计的可靠性， 缩短了设计周期，大大推动了内燃机工业的发展有限元技术已经成为一种常规的设计手段， 广泛应用于机体、气缸盖、气门座等固定件和曲轴、连杆、活塞等运动件的设计、应力分析， 振动和温度场的研究国外的许多著名发动机研究机构如奥地利的a v l 、英国的k i c h a r d o 研究 所、美军陆军坦克机动车辆司令部( t a c o m ) 。和一些主要发动机生产厂商如美国的g m 、f o r d ， 日本的n i a n 、t o y o t a ，德国的m t u 等。以及国内众多的科研院所包括上海内燃机研究所，山 西车用发动机研究所、清华大学，天津大学、北京理工大学、大连理工大学等广泛开展了发动 机零部件的有限元分析研究近年来，随着计算机软硬件水平的提高，发动机零部件的有限元 分析向着更加精确的方向发展 1 1 2 气缸盖强度和可靠性的研究现状 气缸盖是内燃机上最为复杂的零件之一在气缸盖上要安置配气机构、起动装置、火花塞 ( 喷油器) ，还有进、捧气道和冷却水道，这使气缸盖的结构十分复杂。铸造和加工非常困难 同时气缸盖工作的条件十分恶劣，气缸盖向着燃烧室的一面叫做火力面承受着气缸盖螺栓预 紧力、热负荷和最大燃气爆发压力的作用此外，由于冷却水腔的布置问题，气缸盖内冷却水 流速不均匀，气缸盖的温度场分布也是不均匀的，容易出现局部过热和变形而导致额外应力， 严重时出现疲劳破坏尤其是进捧气道之间的狭窄区域一鼻粱区，由于不断受到丰| 气门口高 温废气和进气门口处低温空气的冲刷，在鼻梁区会产生径向温度梯度，而且在火力面和冷却水 之间也存在着很大的温度梯度因此，鼻梁区在径向和轴向都会产生很大的温差热应力，是气 缸盖上最容易出现疲劳裂纹的部位【”】 在气缸盖的强度和可靠性研究方面，工业发达国家较早地采用先进的计算分析方法( 如有 限元和边界元方法) 和实验方法来研究，设计气缸盖在发达国家如美，日等，每年均投入大 量的人力和财力进行有关气缸盖的结构强度和可靠性方面的研究工作对气缸盖的实验，计算 理论研究很多。也做了大量的台架实验以及整机对比实验，研究结果的实用性很强这是国外 内燃机使用寿命高且还不断提高的一个主要原因但是，由于气缸盏的强度和可靠性的影响因 素较多，不同的结构、材科、载荷、加工处理方式等对可靠性的影响都很大，国外公开发表的 实验方法、实验数据，评定标准等具体的数据、参考数据很少，所以这方面的问题需要我们自 己去研究探索 上个世纪7 0 年代以前，由于受计算机软硬件水平的限制，国内外在气缸盖的强度和可靠性 方面的研究主要采用力学方法初步估算和大量实验结果分析相结合的方法，在设计上广泛采用 经验法7 0 年代以后，开始采用有限元方法研究内燃机气缸盖的变形，应力和湿度场问题；到 了8 0 年代中期开始利用有限元方法研究气缸盖的强度和可靠性，由于计算条件的限制，扔期多 采用二维有限元方法【l “”，主要研究气缸盖稳态和非稳态温度场、热应力；9 0 年代前后开始采 用三维有限元方法研究气缸盖温度场l l ”q ，这一阶段的有限元计算大都采用非常简单的模型， 划分的节点和单元也很少，施加的边界条件也比较简单；年代以后。由于计算机技术及软， 硬件水平的高速发展和国外大型有限元程序的引进，气缸盖的强度和可靠性方面的研究开始广 泛的开展起来，在气缸盖可靠性研究上也取得了较大的进展。同时期，国内还开始了边界元方 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 法的研究，但由于边界元本身的理论还不完善，所以在内燃机气缸盖上的应用比较少，基本上 是二维时间相关边界元法【m ”，国内应用于缸盖等复杂零部件的三维边界元分析技术基本处于 起步阶段目前，国内使用较多的是采用有限元方法和实验方法相结合的方法来研究气缸盖的 强度和可靠性问题1 2 0 - 。2 2 1 最近几年，由于计算机软硬件水平的提高，国内利用有限元方法研究内燃机气缸盖温度场、 应力场等问题，取得了不少进展。在有限元方法上，普遍采用三维有限元技术；在模型选用上， 开始建立几乎不加简化的三维几何模型；在网格划分上，普遍采用基于几何模型自动生成节点、 单元的办法，划分后网格的规模也相当大；在边界条件的选取上，除使用较多的实验法和试算 法外。有的文献给出缸盖火力面和冷却水侧换热系数的解析计算方法；在材料特性的确定上。 开始考虑高温造成的材料特性的变化( 如蠕变) ；在分析类型上。由于内燃机强化要求的提高， 从原先集中考虑温度场和热应力的研究上转向综合考虑气缸盖的机械应力和热应力的耦合场； 接触算法的出现，又促进了装配关系条件下气缸盖可靠性分析的发展i 明 目前，尽管有限元技术应用越来越广泛并且成熟，但在分析内燃机零部件的强度和可靠性 时，依然存在一些问题。特别是气缸盖，由于其造型和边界条件都非常复杂，这些闷题更加突 出，主要有： ( 1 ) 对大多数结构形状复杂的零件，如气缸盖，自动生成的网格一般只能为四面体单元。 而要达到一定的计算精度必须具有相当规模的网格数目或者单元的阶次六砸体网格般具有 较高的计算精度，但是很难实现该种网格的自动化分刚 ( 2 ) 气缸盖的边界条件很复杂，很难准确地确定边界条件，而且也没有特别实用的经验公 式。不能获得较为精确的结果 ( 3 ) 由于在c a d ( 计算机辅助设计) 软件和有限元分析软件之间有些结构不能够完全转 化，使有限元模型重构存在困难，所建立的模型一般都进行了简化，或采用较为简单的模型 所以，有限元技术在内燃机零部件的强度和可靠性研究上的应用还需要不断发展和完善，在这 方面开展一些工作是十分必要的，特别是在气缸盖强度和可靠性的有限元研究方面，问题较多， 难题较多，需要进一步开展研究工作 1 2 气缸盖热疲劳强度研究 在发动机运行过程中经常暴露出由于气缸盖的刚度或强度不足而引起的种种问题例如在 与火焰接触的火力面鼻梁区出现裂纹是最常见的缺陷，因为该区域要承受高温和高压的作用， 受力状态非常复杂在运行过程中，发动机在气缸盖鼻粱区出现裂纹。导致保修期内反修率超 标，这样不但给用户带来不必要的麻烦，同时对厂家也造成了不必要的损失根据对日本海事 协会注册船舶的统计1 2 1 ，1 9 7 3 年大型低速柴油机气缸盖的损坏率( 按台数) 为：u e c 型1 , 4 2 ， w 型7 5 ，苏尔寿型1 8 6 ，m a n 型3 0 4 我国东风4 型内燃机车1 9 7 9 年的厂修中气缸 盖裂损占损坏总数的6 9 6 ，1 9 8 2 年的厂修中气缸盖的平均更换率为4 1 9 8 3 年为8 1 8 ， 1 9 8 4 年上半年为1 4 4 1 9 8 0 年，在2 0 0 0h 实验( 持续功率为2 6 4 6k w ) 的后期，1 6 v 2 4 0 z 型柴油机1 - 8 缸气缸盖的破损率达5 0 。在研制s il 0 0 型高速柴油机的过程中，气缸盖经过 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 0 - 6 5 0h 运行后便发现进捧气阀孔与涡流室通道孔之间的鼻梁区出现裂纹。近年来引进的大功 率中速柴油机发电机组中。发生气缸盖裂损的不在少数如某电站的五台引进机组中，经过两 年左右运行后气缸盖裂损失达3 0 ，而且大多数发生在进捧气阀孔和喷油孔之间的鼻粱区。这 大大减少了柴油机整机的寿命 由于气缸盖是组成柴油机燃烧室的重要部件之一其热疲劳破坏过程是一个复杂的力学损 伤和组织蜕变过程。包括在交变温度和交变热应力下的热损伤、组织蜕变和氧化腐蚀，严重阻 碍了柴油机性能指标的进一步提高随着柴油机强化水平的提高。有必要对缸盖的热疲劳强度 进行深入系统的研究，分析其所能承受的最大热应力、热应变和热疲劳寿命等。热疲劳裂纹是 气缸盖热疲劳破坏的表现形式，它可以在原先没有损伤的部位形成疲劳裂纹源，然后以稳定的 速度扩展，直至发生断裂通常，将缸盖等受热件的热疲劳破坏过程分为以下几个阶段口l ： ( 1 ) 亚结构和显微结构发生变化，形成损伤裂纹源； ( 2 ) 产生微观裂纹： ( 3 ) 微观裂纹扩展合并形成主裂纹； ( 4 ) 主裂纹的稳定扩展； ( 5 ) 缸盖等受热律失去稳定性，发生热疲劳断裂 缸盖热疲劳破坏的主要特征有： ( 1 ) 、在交变载荷的作用下，缸盖所承受的交变应力在远小于材料强度的极限应力时也会 发生热疲劳破坏； ( 2 ) ，气缸盖的热疲劳裂纹在宏观上常表现为无明显塑性变形的突然断裂，属于低应力脆 性断裂，因此具有较大的危险性； ( 3 ) 、气缸盖的热疲劳裂纹具有局部性并不涉及到整个结构。因此通过改变局部危险部位 ( 如。鼻梁区”等) 的结构设计和加工工艺，完全可以提高其热疲劳寿命； ( 4 ) 、缸盖的热疲劳寿命是一个累计损伤过程，需要一定的时间历程； ( 5 ) 、由于缸盖火力面晶粒所受的约束较少，且与燃烧介质赢接接触及表面上往往留有加 工痕迹，因此热疲劳裂纹通常在缸盖火力面上产生； ( 6 ) ，气缸盖的热疲劳裂纹无论在宏观上。还是在微观上均有明显特征，这有助于判别热 疲劳破坏的类型 目前，对气缸盖热疲劳强度的研究主要集中于以下三个方面： ( 1 ) 利用高温低周热疲劳实验结果进行热疲劳寿命预测： ( 2 ) 直接进行热疲劳实验，对其作用机理和寿命分布傲细致分析； ( 3 ) 对热疲劳进行数学模拟，用数值法如有限元方法，计算其热应力和热应变，从而预 测热疲劳寿命 由于第一和第二个研究方法实验设备复杂，实验成本高，实验周期长，因此，第三个研究 方法的应用较为普遍。在本文的研究中，就是采用的第三种方法 5 中国农业大学硕十学位论文第一章绪论 1 3 本课题的提出、研究内容和研究目的 众所周知，气缸盖是发动机中结构最复杂、机械负荷和热负荷最高的零件之一在发动机 运行过程当中经常暴露出由于气缸盖疲劳破坏引起发动机寿命短的问题例如，在与火焰面接 触的底板鼻梁区出现疲劳裂纹是最常见的缺陷，给用户带来很多麻烦，给工厂也带来不小的经 济损失 为了解决这一问题，本文选用柴油机4 1 0 5 0 气缸盖的处于工作状态的缸盖为研究对象，利 用有限元分析软件a n s y s9 0 ，分别计算了原方案和几种鼻粱区结构改进方案气缸盖的稳态温 度场和应力场分布并且尝试计算了气缸盖冷却过程中缸盖上瞬态温度场的分布变化以及残余 热应力，热应变的分布本文的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 论述气缸盖强度和可靠性研究的必要性，介绍气缸盖强度和可靠性研究的主要方法和 研究现状，以及气缸盖熟疲劳强度的研究； ( 2 ) 建立4 1 0 5 q 柴油机气缸盖四缸中第二缸的三维实体简化模型，选择不同的网格密度， 计算模型的稳态温度场、应力场，找出气缸盖疲劳破坏的位置；又对发动机停机冷却过程中。 气缸盖上的瞬态温度场分布变化以及残余热应力分布进行了计算针对所得到的结果，提出几 种鼻粱区结构改进方案选用和原方案相同的边界条件，计算分析了改进方案的稳态温度场和 应力场分布，选出能够缓解气缸盖鼻梁区应力集中的结构方案。并且对选择的改进方案也进行 了瞬态温度场和应力场计算 ( 3 ) 应用前人所得出的结论，应用当量应力应变准则，采用局部应力应变法对选出的几种 鼻梁区结构改进方案的气缸盖进行了疲劳寿命计算并和原始方案的寿命计算结果进行比较 通过对凡个方案的可靠性寿命的计算结果进行比较，选出能够解决鼻粱区应力集中、延长 气缸盖寿命的方案通过应用有限元方法进行计算模拟，可以节省大量的人力，物力、财力， 缩短研发的周期，为进一步优化气缸盖结构，研究气缸盏的疲劳寿命打下了很好的基础 6 中国农业大学硕士学位论文第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 2 1 有限元法的理论基础 2 1 1 有限元法的基本思想及优越性 有限元法的基本思想是通过节点或单元描述，把复杂的结构合理的划分为可以计算的微小 单元，通过有限个单元的组合求出由单元描述的结构的整体行为有限元法的具体应用可概括 为如下几个步骤【2 1 ： l 、物体的离散化 就是将拟分析的物体假想的分成由限块分区或分块组成的集合体表示原来的物体，籍此建 立起单元力学分量与未知分量的关系式，集成结构分析方程式 2 ，挑选形函数或插值函数 物体或结构离散化后，用被称为位移函数的近似函数对单元内的一些力学量进行描述，单 元的位移模式需满足一定的条件 3 、确定单元的性质 所谓单元的性质就是对单元的力学性质进行描述一般用单元的刚度矩阵来描述单元的性 质确立单元节点与位移的关系 4 、组成物体的总性质方程组 组成物体的总性质方程组就是由单元刚度矩阵集成表示整个物体性质的总刚度矩阵，从而 建立起整个物体已知量一总节点载荷与整个物体的未知量一尊节点位移或应力之间的关系 5 、解方程组 上述所形成的总性质方程组往往数目庞大，可能是几十个，几百个、甚至于成千上万个， 对于这些方程组需要运用一定的计算数学方法解出其未知数 6 进一步计算 在求得整个结构的未知量后，可以进一步求得单元的未知量 在有限元法的物理教学方程描述中，一般有两种求解微分方程的方法：力法和位移法 由于位移法可以满足动力学的协调性，并且通过借助于与时间有关的位移矢量，可用于动态和 非线性问题，同时通过与地点有关的附加函数可保证满足几何的边界条件，所以有限元法一般 都采用位移法求解从上面列举的过程可以看出，用有限元法解决问题的工作量很大，不借助 于电子计算机的帮助，有限元法的广泛应用是相当困难的 由于有限元处理问题的特点，使其具有独特的优越性。主要表现在以下几个方面； l 、能够分析形状复杂的结构 由于单元不限于均匀的规则网格，单元形状具有一定的任意性，单元大小可以不同且单元 边界可以是曲线或曲面。因此结构分析可以具有非常复杂的结构它不仅可以是复杂的平面或 7 中国农业大学硕士学位论文第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 轴对称结构，也可以是三维曲面或实体结构。 2 、能够处理复杂的边界条件 在有限元法中。边界条件不需引入每个单元的特征方程，而是在求得整个结构的代数方程 后，对有关特征矩阵进行必要的处理，所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变函数而 当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，因此边界条件的处理和程序编制非常简单 3 、能够保证规定的工程精度 当单元尺寸减小或插值函数的阶次增加时，有限元解收敛于实际问题的精确解因此可通 过网格加密或采用高阶插值函数来提高解的精度，从而使分析解具有一定的实用价值 4 、能够处理不同类型的材料 有限元法可用于各向同性、正交各向同性、各项异性及复台材料等多种类型材料的分析， 也可以分析由不同材料组成的组合结构此外，有限元法还可以处理性能参数随时问或温度变 化的材料及非均匀的材料 2 1 2 有限元法平面问题的理论基础 在有限元法中。为了简洁、清晰地表示各个基本量以及他们之间的关系，也为了便于应用 计算机进行实际计算，广泛采用矩阵表示和矩阵运算 在平面问题中，物体所受的体积力可用列阵表示为： 缸l = 阱 p 。 式中，t 表示矩阵转置 同样。物体所受的表面力可用矩阵表示为： = k 以】r 。：之， 一点的位移可用列阵表示为： = 卜v r ( ”) 一点的应变分量可用列阵表示为： 斜= 勺岛 r ( “) 一点的应力分量可用列阵表示为： 仃 = 吒巳 7 2 - 5 ) 由几何方程，式( 2 - 4 ) 所表示的应变分量可以写成： = 鲁考石o 缸o v r 。撕， 弹性力学中，平面问题可划分为平面应力问题和平面应变问题。对于弹性力学的平面应力 中国农业大学硕士学位论文第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 ! l ip 量曼e 量置目曼鼍璺e 曼鼍奠舅量曼| 量舅置墨量毫量曼皇曼! 曼鼍苎皇皇皇曼曼皇奠量暑量曼曼鼍| 置量曼皇曼 问题，物理方程可用矩阵形式表示为： h e 科2 而 1 声1 00 0 o 1 一 2 式中，e 、p 分别为弹性模量和泊松比上式可以简写为： 盯 = 【d 】 其中， 【d 】= 毒 1 p 1 00 o o l 一 2 锚 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 称为平面问题的弹性矩阵对于平面应变问题，物理方程也可以用式( 2 8 ) 表示，但需将式( 2 9 ) 所示的弹性矩阵【d 】中的e 换成专，p 换成南 2 、单元分析 以下对平面应力闯题中的三角形单元进行分析，建立单元的月q 度矩阵 1 ) 节点位移 将弹性体用三角形单元进行离散化以后，取任一单元进行分析，其节点i , j 。i n 按逆时针方 向捧列。每个节点位移在单元平面内有两个分量： 4 = 【吩叶r ( l j m ) ( 2 1 0 ) 式中。q ，叶为节点沿着x 轴和y 轴方向的位移分量记号表示其他节点的位移可以按下标i , j ，m 轮换得到。 一个三角形单元有3 个节点，共有6 个节点位移分量，它们可用列阵表示为： 艿 = 醪形 7 = l 叶吩_ v - r ( 2 - 1 1 ) ( 2 ) 位移模式 假定单元体中任意一点的位移分量是x , y 的函数，选择最简单的线性函数作为位移模式， 即： “= a t + 吒x + 呜y r = q + a ，x + a 6 y ( 2 - 1 2 ) 式中，嘶，吒瓯为待定常数，可以由单元的节点位移确定 9 中国农业大学硕士学位论文第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 设节点i , j ，m 的坐标分别为( 丐，咒) ，( _ ，乃) ，( ，只) ，节点位移为 ( 鸭，h ) ，( 吩，吩) ，( “，v _ ) 将它们代入( 2 1 2 ) 中，有 坼= q + 玉+ 吗咒叶= 啊+ 吩玉+ 吼* 址j = a i + a 2 x j g ii 簟a + a , x j a l ( 2 - 1 3 ) ”- = a l + a - a 3 y -v - 暑a i + a _ + a y i 联立求解上述公式左边的3 个方程，可以求出待定系数，为： 1 l 吩而咒 啊2 砑l 叶_ 乃 k 儿 1 。砑 毪y u i y j h - y _ x ly i x jy i x y 。 1i 玉坼 鸭2 刍i 叶 j 1 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 为使求得的面积的值为正值，节点j ，m 的次序必须是逆时针转向，至于将哪个节点作为起始 点，则没有关系 将式( 2 - 1 4 ) 代入式( 2 - 1 2 ) 的第一式，整理得： “= 寺 ( 吒+ 岛工+ q j ，) 蚱+ ( 乃+ 岛工+ c ，) ，) + ( + 屯工+ 气y ) ( 2 1 6 a ) 同理可得： ，= 寺 ( q + 岛工+ c j ) ，) 吩+ ( 乃+ 岛工+ 勺) ，) _ + ( 4 i + 气鼻+ 气j ，) _ ( 2 - 1 6 b ) 4 t = x | y _ x _ y t 式中， 岛- - - y ，+ 凡 ( i j ，m ) ( 2 - 1 7 ) c j 。+ 毛 如果令 n ；= 刍( q + 岛毒+ q j ，) 吨 ( i ，j ，m ) ( 2 1 8 ) 则位移模式( 2 1 6 ) 可以简写为： 甜= 川坼+ 以吩+ 一 ，= v f + 吩+ 帆吃 ( 2 1 9 式中，m ，啊， r _ 是坐标的函数，反映了单元的位移形态，因而称为位移函数的形函数，其形 式将在下面进一步讨论。 ! l 一2 = 4 积面的m “什u 一兀单形角三为a中 式 由式( 2 - 1 9 ) 和( 2 - 3 ) ，单元中一点的位移可用节点位移表示为下列矩阵形式 = 【】( 2 - 2 0 ) 式中，【】称为单元形函数矩阵，其维致为2 x 6 。迸一步可写为分块形式： i 】= n 啊n ( 2 - 2 1 ) 鼽珊- 苫廿川，“， c 勉， 式中。i 为2 阶单位矩阵 根据形函数的定义式( 2 - 1 8 ) ，容易证明形函数具有一下性质：形函数在节点上的值等于1 ， 在其他的节点上的值等于o ，即 “，y ，) - - 1 ，m ( 一，乃) = o ， ( 毛，儿) = o 对于，：也有同样的表达式 在单元中任一点，三个形函数之和等于1 ，即 ( 毛y ) + 川( 而y ) + _ ( 而) ，) = l 在三角形单元边界扩上一点( x ，y ) ，有形函数公式： - - - - l _ 一x - - 一x 玉，啊( 五j ，) = 丝工- x , ，_ ( 毛y ) i 。 形函数 在单元上的面积分和边界扩上的线积分公式为： 。川出妙= 詈f ，m 刃= 三矛 c ：2 s ， 式中。孑为边伊的长度 3 、单元应变和应力 有了单元的位移模式。就可以应用几何方程求得单元的应变将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 - 6 ) ， 得到应变和节点位移的关系式： 、 上式简写为： 主 = 寺睦；兰主兰差 ( 2 - 2 4 ) 吩_吩气 = 渊 矿( 2 - 2 5 ) 式中，p 】为单元应变矩阵( 又称为几何矩阵) ，其维数为3 x 6 它可以写成分块形式： 【b i - - b , 岛吼 其中子矩阵 【置】= 寺 i主 c t ，j ，- ， c 2 2 6 ， 式( 2 - 2 6 ) 是用节点位移表示的单元应变的矩阵方程由于4 岛，q ，岛，勺，瓦，c _ 与x ，y 无关 都是常量，因此p 】矩阵也是常量单元中任一点的应变分量是p 】矩阵与节点位移的乘积， 因而也都是常量。因此这种单元被称为常应变单元 在平面问题的物理方程( 2 - 7 ) 中，将式( 2 - 2 5 ) 代入，得： 一= 【d 】 艿 一 (2-27) 上式也可以写成； 盯 = 吲( 2 - 2 8 ) 这就是应力与节点位移的关系式其中 s 被称为单元应力矩阵，并且 【s - - d i b 1 ( 2 - 2 9 ) 因为【d 】是3 3 矩阵，【占】是3 6 矩阵，因此【s 】也是3 6 的矩阵它可以写为分块形式： 吲= bs js - ( 2 3 0 ) 由( 2 - 9 ) 所表示的平面应力问题的弹性矩阵，以及由式( 2 - 2 6 ) 所表示的应变矩阵，可得式( 2 3 0 ) 中应力矩阵的子矩阵： 陆【。蚪不e 巧 岛 油l 1 一 2 ( i j , m ) ( 2 3 1 ) 对于平面应变问题，只要将上式中的e 换成i = ，p 换成f ，就得到应力矩阵的子矩阵； 1 2 五1 腭勺叫一2 l q 中国农业大学硕士学位论文第二章气缸盖有限元分析的理论基础和三维建模 r a l 。 占( 1 一) 【置1 = 2 ( 1 _ + a ) 三( 1 - 丛