热机耦合作用下发动机缸盖结构强度及疲劳研究*
张俊红 徐喆轩 胡欢 马梁 汤周杰300350） （天津大学，内燃机燃烧学国家重点实验室，天津
【摘要】以某缸盖为研究对象，开展额定工况下的热平衡试验，并基于流固耦合方法对水套的流场和缸盖的温度场进行分析。对缸盖由热载荷与机械载荷产生的耦合应力场进行求解，确定缸盖鼻梁区为应力危险点。缸盖爆压工况下的高周疲劳安全系数和起停工况下的低周疲劳寿命计算结果表明：考虑热机耦合与不考虑热机耦合的疲劳计算结果差别很大，热机耦合作用不可忽视。
主题词：缸盖 流-固耦合 耦合应力分析 高周疲劳 低周疲劳TK422；TH114 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20170759中图分类号： 文献标识码： DOI: Structural Strength and Fatigue Analysis of Engine Cylinder Head Under the Thermo-Mechanical Coupling
Zhang Junhong, Xu Zhexuan, Hu Huan, Ma Liang, Tang Zhoujie State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300350） （ Abstract Heat balance test was carried out for a cylinder head under rated conditions, and water jacket flow field【 】and cylinder head's temperature were analyzed using flow- solid coupling method. The coupled stress field generated by thermal load and mechanical load of cylinder head was solved to determine the cylinder head bridge zone as a hot spot of stress. The calculation of high- cycle fatigue safety coefficient under cylinder head detonation pressure conditions and lowcycle fatigue life under stop- start conditions show that the calculation results of fatigue, if thermo- mechanical coupling is considered, differs greatly with that when thermo- mechanical coupling is not considered, therefore thermo- mechanical coupling effect shall not be neglected.
Key words: Cylinder head, Fluid- solid coupling, Coupling stress analysis, High cycle fatigue, Low cycle fatigue 1 前言
随着柴油发动机动力性能的提升，气缸盖受到的交替变化的热载荷以及机械载荷进一步增大，常出现应力集中造成缸盖的疲劳破坏，所以对缸盖结构强度以及疲劳的研究有着重要的意义。
近年来，国内外学者针对缸盖传热和疲劳进行了大量的研究工作，并取得了一系列成果[1- 5]。在缸盖传热
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方面：高舒芳等[6]对 种无水冷却液在不同温度下水套的冷却效果进行了数值模拟分析；陈林[7]建立了整机耦
- -合有限元模型，基于缸体 缸盖 缸套的热应力准静态分析以及热机耦合瞬态分析对发动机进行评估和优化
Stefan Trampert改进。在缸盖疲劳方面： 等[8]研究了不同铸铁材料对缸盖疲劳寿命的影响，并通过对比分析总结
Chamani H
出材料特性对低周疲劳寿命的影响规律； 等[9]
通过编程处理缸盖的应力水平，修正温度和应力梯度，
Amir Ghasemi[计算了高周疲劳安全系数； 10]指出缸盖低周疲劳主要由发动机起停循环热负荷引起，计算了某缸盖的热疲劳安全系数分布，并做了局部优化，提高了疲劳寿命；魏鑫[11]探索冷却水套结构参数作为变量对缸盖高周疲劳应力幅、疲劳安全系数的影响，提出了提高缸盖易失效区域安全系数的优化方案；汪绍斌[12]通过分析缸盖温度分布随着冷却水参数的变化情况，研究了冷却水参数对缸盖热疲劳模拟试验的影响规律。
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本文以某柴油发动机为研究对象，首先基于流 固耦合的方法对水套流场和整机温度场进行分析，利用台架试验对缸盖火力面温度场进行验证，在此基础上，对
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缸盖进行热 机械载荷下的耦合应力结构强度分析并在有限元的基础上结合缸盖疲劳损伤机理对缸盖进行高、低周疲劳研究。针对高周疲劳所产生的低高周疲劳安全系数以及低周疲劳低寿命部位进行解释说明，并对开发产品进行疲劳预估，缩短了开发周期。
2 缸盖温度场计算 2.1 流-固耦合理论
缸盖的流-固耦合计算是为了保证能量方程在耦合面连续，交界面的能量守恒，即固体或者液体释放或者吸收的能量等于另一方吸收或者释放能量[13]。因此，利用傅里叶热传导方程和流体的对流换热控制方程来描述介质之间的热传递过程：
式中， K为固体的导热系数； q为对流换热量； h为局部对流换热系数； Tf为流体温度； Tw为壁面温度； T为物质温度； n1为积分形式。
在流体侧，采用标准的kε -湍流模型来模拟水套中流体的流动状态，其中最重要的参数是湍流动能和扩散率。
湍流动能k方程：
式中， ρ为密度； μt为湍流粘性系数； μl为层流粘性系数；
∂ ε为对 ε的微分； GK为层流速度梯度生成的湍流动能； Gb为浮力所生成的湍流动能； C1ε、C2ε、C3ε、Cε、Ck为经验常数； Cμ为湍流常数。在固体侧，由于缸盖的燃气状态变化迅速，所以缸盖的传热过程可视为稳态导热问题，假设缸盖为常物性且无内热源，其控制方程为：
∂ +∂ +∂ =0
2T 2T 2T 5）
∂ ∂ x 22 ∂ （ x2 x2
1 3 -
本文采用第三边界条件进行缸盖的流 固耦合传Woschini
热计算，根据 公式求解固体边界条件的平均温度以及平均换热系数[14]。通过固体边界的设定，求解温度场。
2.2 边界条件的确定和流-固耦合模型的建立
1）， LWGY
搭建发动机热平衡试验平台（见图 选用
15 K
流量计以及 型热电偶温度计，测取该发动机额定工况下的进口流量和进口温度界。通过热平衡试验测取额定
353 K， 15.3 m3/h
工况的缸体进口水温为 水泵进口流量为 。 图 发动机热平衡试验BOOST
基于一维 模型仿真得到缸内燃气、进气道气体、排气道气体的温度分布，凭借经验公式计算得到
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其平均温度以及平均换热系数，结果如表 所示，最后将其表面温度和换热系数作为准确的热边界条件添加
-
到流 固耦合模型中。
表 缸盖表面边界条件
选择发动机额定的工况进行计算，入口设置为速度边界与温度边界，出口设置为静压边界与温度边界，其余为壁面边界。进、出口边界条件根据前述发动机热平衡试验得到，火力面、进排气道边界由一维仿真结果得到，水腔表面为耦合面。流体介质为水，湍流模型选用
−
标准kε模型，选择湍流强度和水力直径控制湍流。
温度场计算结果分析
建立水套和缸盖几何模型，进行网格划分，最终缸
800
盖固体网格数量约 万，水套流体网格在近壁面增加
220 1
了边界层，网格数量共约 万，从左起依次为第 缸至
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第 缸，水套和整机网格模型如图 、图 所示。
3图 整机固体模型-
为了验证流 固耦合模型的准确性，在发动机台架试验中对缸盖温度场计算结果进行验证。使用热电偶
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对缸盖火力面温度进行采集，传感器分布情况如图 所
2， 4
示，试验测得温度与计算温度对比见表 取 个典型测
5%
点，其温度与仿真结果误差均在 以内，可认为温度场的计算结果真实有效。 - 5
经流 固耦合计算，得到的缸盖温度场如图 所示，
55 K），
排气侧温度远高于进气侧温度（温差达到了约这是由于通过排气道的气体的换热系数和燃气温度都比较高，以及排气道区域复杂不宜布置合适的冷却水套导致的。缸盖底部温度远高于缸盖顶部温度（温
100 K），
差达到了约 这是由于缸盖底部是主要工作面，同活塞顶及气缸内壁共同组成发动机的燃烧空间（燃烧室），而缸盖顶部直接与缸盖罩壳相连接，没有接触温度很高的热源。气缸相对于进、排气门座安装口以及喷油器安装位置温度也较高，是高温燃气导致
579.9 K，
的。缸盖区域的最高温度是 低于该材料缸盖的最高允许温度，从壁面温度来看满足设计要求[15]。
1
由于最高温度集中在第 缸火力面鼻梁区域，为了
12
对鼻梁区域进行详细研究，分别沿路径 、对其温度趋
6
势进行分析，具体路径如图 所示，温度的变化情况如
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图 所示，反映了火力面温度的具体分布。 7a 3
图中火力面温度出现了 个峰值，分别约为
520 K 540 K 530 K，
、 、 主要集中在进、排气鼻梁区以及
7b 2
喷油器附近；图 中火力面温度出现了 个峰值，分