气缸盖在蠕变—热疲劳交互作用下的可靠寿命预测

论文摘要

发动机作为一种热能动力机械,工作时主要承受热负荷和机械负荷。发动机气缸盖是发动机中承受载荷最大、最复杂的零部件之一,长期工作在高温、高压的恶劣环境当中,它的使用寿命直接影响到发动机的可靠性。影响气缸盖使用寿命的主要是热疲劳和蠕变疲劳两个因素,但到目前为止,在对气缸盖的使用寿命研究中,考虑到蠕变—热疲劳交互作用的却很少,因此本文采用有限元法对气缸盖在蠕变—热疲劳交互作用下的寿命预测问题进行了研究。有限元分析软件ANSYS和流体分析软件CFX相结合进行流固耦合双向载荷传输的方法是专门用于模型比较大,比较复杂又非常不规则的多场耦合仿真分析的。通过软件内部自动进行热或机械等不同载荷的传输可以得到模型的温度或位移的分布状况。首先,通过这种方法进行热载荷的双向传输计算得到了气缸盖精确的温度场分布。然后又通过有限元法计算出气缸盖的机械应力场以及机械-热耦合的应力场,发现最大机械应力仅为热应力的1/6左右,因此影响气缸盖使用寿命的主要是热应力而非机械应力。另外,还对影响气缸盖寿命的另一个主要因素蠕变做了深入的研究,这为进一步的寿命预测工作奠定了坚实的基础。提出了将蠕变-热疲劳等效为恒定应力幅和平均应力的热-机械疲劳,从而进行寿命预测的新方法。热-机械疲劳试验不需要保温时间,所需试验装置简单、效率高。最后通过热-机械疲劳试验得到了气缸盖材料ZL702A的P-S-N曲线,对气缸盖进行了寿命预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高温疲劳研究的历史和现状
• 1.2 发动机强度研究的方法和意义
• 1.3 发动机气缸盖强度研究的历史和现状
• 1.4 本文主要的研究内容和意义
• 第2章 气缸盖三维有限元分析基础
• 2.1 有限元法概述
• 2.2 三维有限元机械应力问题的理论基础
• 2.3 三维有限元温度场及热应力问题的理论基础
• 2.3.1 热量传递的基本方式
• 2.3.2 导热微分方程式
• 2.3.3 单值性条件
• 2.3.4 温度场的有限元分析
• 2.3.5 热应力的有限元分析
• 2.4 软件简介
• 2.4.1 PRO/ENGINEER
• 2.4.2 Altair Hyperworks
• 2.4.3 ANSYS
• 第3章 ZL702A的材料性能
• 3.1 ZL702A的材料属性
• 3.1.1 材料ZL702A的力学性能
• 3.1.2 材料ZL702A的物理性质
• 3.1.3 材料ZL702A的蠕变性能
• 第4章 气缸盖流固热耦合温度场的有限元分析
• 4.1 气缸盖三维几何模型的创建
• 4.1.1 进排气道交互式曲面造型
• 4.1.2 气缸盖水腔砂芯结构造型
• 4.1.3 气缸盖模型的创建
• 4.2 气缸盖有限元模型的创建
• 4.3 气缸盖三维有限元分析边界条件的确定
• 4.3.1 发动机的主要参数
• 4.3.2 气缸盖各类边界条件分析
• 4.4 气缸盖三维有限元分析温度场的分布结果
• 第5章 气缸盖应力场以及高温蠕变的有限元分析
• 5.1 气缸盖机械应力分析结果
• 5.2 气缸盖热-机械耦合应力分析结果
• 5.3 气缸盖高温蠕变的有限元分析
• 5.3.1 蠕变作用的机理
• 5.3.2 蠕变模型的数值模拟
• 5.3.3 材料应力-应变关系简化模型
• 5.4 气缸盖的应变场有限元分析结果
• 第6章 气缸盖的蠕变—热疲劳寿命研究
• 6.1 一种新的蠕变—热疲劳寿命预测方法的提出
• 6.1.1 模型假设
• 6.1.2 加热-保温-冷却过程的力学分析
• 6.1.3 算例
• 6.2 ZL702A的热机械疲劳寿命试验
• 6.2.1 试验条件
• 6.2.2 试验结果
• 6.3 试样寿命分布检验及P-S-N曲线绘制
• 6.3.1 K-S法检验寿命的分布类型
• 6.3.2 S-N曲线及P-S-N曲线绘制
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 致谢