第3期（总第230期） 2017年6月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No.3(Serial No.230)
Jun.2017
基于概率有限元的气缸盖疲劳可靠性分析
吴波1-2，秦新锋”，贾晓亮”，邓雅冲4
（1.中国北方发动机研究所（天津），天津300400；2.北京理工大学机械与车辆学院，北京
100081：
3.中国人民解放军驻616厂军事代表宝，山西大同037036； 4.中国人民解放军陆军装甲军代局驻天津军代室，天津300400）
摘要：提出了一种基于均匀试验设计和BP神经网络模型构建随机参数与结构响应之间的近似非线性关系的概率有限元方法，该方法较直接Monte-Carlo法需要的样本数据大幅减少，更适合大规模计算的结构概率有限元分新。采用该方法以某型荣油机气缸盖结构疲势失效分析为算例，进行了可靠度期望寿命计算，并通过对影响气缸盖应力的燃烧压力、各螺检预累力和喷油器压紧力等22个载荷参数的均值和标准差的敏感性分析，初步确定了造成气红盖本体结构疲劳开裂的主要影响因素。
关键词：概率有限元；柴油机；气缸盖；结构疲劳；可靠性 DOI: 10.3969/j.issn.1001-2222.2017.03.006
中图分类号：TK423.32
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2017)03-0033-05
发动机气缸盖的主要作用是密封气缸，一方面通过火焰板与气缸套和活塞构成燃烧室，承受高温高压的燃气作用，另一方面通过进排气道和气门组织新鲜空气进人燃烧室并将废气排出燃烧室。同时为了保证缸盖和气缸套之间的密封，气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力的作用1]。发动机是热动力机械，在其运行过程中，气缸盖受到热负荷和机械载荷的双重作用，各部分的温度分布很不均匀且温差很大，本体结构承受着很大的热-机耦合应力，是发动机中最易发生故障的部件之一[2-"]。当前为了满足世界各国越来越严格的排放法规，实现节能、减排和轻量化设计目标，高强化燃烧、涡轮增压和高承载铝质气缸盖等技术在现代发动机设计中被广泛采用，发动机的强化程度越来越高]。在强化程度较低的情况下，可以采用较大的安全系数来保证气缸盖的可靠性，但是随着发动机强化程度的不断提高，气缸盖的热机负荷已经接近常规设计结构的使用极限，结构设计的安全裕度不可避免地越来越低。若再不考虑载荷、机械性能和结构几何尺寸等分散性的影响，对气缸盖在各种使用工况下的疲劳寿命进行精确评估和设计，将无法保证高强化发动机气缸盖的疲劳耐久性和可靠性。
收稿日期：2017-02-12；修回日期：2017-04-10
概率有限元法的最初思路是Monte-Carlo法与有限元法直接结合，可称为直接Monte-Carlo法[5)。由于常规的直接Monte-Carlo法是建立在大量确定性有限元计算的基础上，一般至少需要几千个样本点，特别是对于发动机气缸盖这种单元数量规模较大，且需要进行热机耦合计算的结构其计算量极大，在现有计算技术条件下采用直接Monte-Carlo法无法满足工程需求。因此，本研究以某型柴油机气缸盖为范例，提出了一种基于均匀试验设计的概率有限元气缸盖疲劳可靠性分析方法，首先在设计区域内对影响气缸应力的各变量（材料、载荷等)进行均匀试验设计，通过Abaqus确定性仿真得到各组均匀试验设计参数的响应值，采用Matlab中的BP神经网络对均匀试验设计的样本与响应值进行非线性回归分析：再利用Nessus可靠性分析软件按解析法、近似模型法或抽样法产生随机模型需要的材料、载荷、边界条件等随机变量的样本值，并将这些随机变量值映射到Matlab的脚本文件中，通过非线性插值的方法获取各随机变量在其他组合形式下结构的动态响应值，进而通过S-N曲线计算气缸盖结构的疲劳可靠度期望寿命，并对影响气缸盖可靠度期望寿命的主要参数开展灵敏度分析。
基金项目：天津市企业博土后创新项目择优资助计划资助项目
作者简介：吴波（1978一），男，研究员，博士，主要研究方向为发动机结构疫劳与可靠性；wubo-eneri@163.com，