第1期（总第228期) 2017年2月
车用发动机 VEHICLEENGINE
No.1(Serial No.228)
Feb.2017
高强化柴油机铸铁缸盖承载特性研究
景国垒"，张树勇"，付文清"，许春光"，文洋"，李鹏"，卫军朝”
(1.中国北方发动机研究所（天津），天津300400；2.中国兵器科学研究院，北京
100089）
律，为缸盖寿命预测模型建立提供依据。首先建立了缸盖有限元分析模型，利用实测温度和应力数据对模型进行了标定，进而基于该模型计算了标定工况及息速与标定工况交替变化条件下缸盖温度和应力的变化规律，仿具站果表明：红盖最高温度和最大热应力出现在鼻渠区城；在工作确环内，缸盖火力面温度波动幅值在30C以内，由此引超的波动热应力相对定常热应力较小，但相对高频气体应力较大，故在火力面高周减劳校核过程中必须考虑其带来的影响；在息速和标定转速交替变化工况下，鼻渠区载荷变化最明显，温度与应力置现反相状态，应力幅值较高，该区城易发生低周疫劳损伤。
关键词：柴油机；气缸盖；仿真；承载特性；温度；应力 DOI: 10,3969/j.issn,1001-2222,2017.01,008
中图分类号：TK413.2
文献标志码：B
文章编号：1001-2222(2017)01-0042-07
缸盖是发动机中结构最复杂、承受机械载荷和热载荷最严重的部件之一，其承载特性是影响缸盖疲劳强度可靠性的重要因素[1-3]。缸盖不仅承受螺栓预紧力的强约束作用，而且承受交变气体力和热应力的耦合作用，同时由于发动机服役工况范围广且多变，缸盖承载规律极其复杂。研究表明，稳态工况下螺栓预紧力、高频温度载荷与气体力作用易导致缸盖发生高周疲劳失效，失效部位主要出现在水腔隔板、气道壁等区域。MarioMetzger的研究表明，工况大幅波动（如停车一起动一停车工况）易产生低频波动热应力，往往导致火力面鼻区发生低周疲劳失效[3]。目前，随着发动机功率密度的不断提升，缸盖承受的热机械负荷增加，疲劳强度是当前设计关注的焦点[4-5)，因此，本研究重点探讨了缸盖温度和应力随时间和载荷的变化规律，为缸盖疲劳寿命预测模型建立提供依据，为材料研制提供约束边界。
研究思路 1
缸盖必须同时满足高周疲劳和低周疲劳的设计
要求。高周疲劳强度按照无限寿命设计，低周疲劳寿命与发动机服役工况、服役寿命及用途相关。目前，主要基于发动机台架耐久性试验来考核发动机结构件疲劳特性，图1示出发动机典型台架耐久规范的简化或等效示意，试验工况主要由标定转速稳
收稿日期：2016-01-26；修回日期：2016-11-02
态工况及怠速与标定交变工况两部分组成，分别考核结构件高周疲劳(HCF)和低周疲劳(LCF)性能。
在图1试验工况下，缸盖主要承受以下作用力。 1)预装配应力a:：主要由螺栓预紧力和气门导管过盈引起；2)气体应力：：主要由缸内高频波动的气体压力引起；3)定常热应力αst：发动机未工作前，结构温度较低且均匀，在高周疲劳考核稳定工况（如标定转速工况)下，结构温度升高，由于热惯性效应温度基本保持不变，由此形成的热应力即为定常热应力，通常该应力已考虑预装配应力1；4)高频波动热应力h：在稳态工况一个工作循环内，燃烧室气体温度、压力和换热边界随曲轴转角高频波动，引起缸盖火力面表面温度晟态波动，并由此产生了高频波动的热应力5)低频波动热应力al：在低周热机疲劳考核工况下，缸盖温度随着工况变化面发生大幅度波动，缸盖处于急剧加热和冷却状态，由此产生了较大的低频热应力。
本研究主要开展以下工作：1)研究标定转速点稳态工况下预装配应力a、气体应力。、定常热应力，和高频波动热应力的分布特性和对缸盖综合应力的影响规律；2）研究变工况条件下低频波动热应力alt、温度随时间的变化关系；3)基于温度和应力分析结果，并结合发动机台架耐久规范进一步构建缸盖疲劳寿命预测模型。
作者简介：景国玺（1984—），男，副研究员，博士，研究方向为内燃机现代设计方法、劳强度设计等；okjgx@163,com，