Tosca Abaqus Fe-safe缸盖瞬态TMF寿命联合优化仿真.docxVIP

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ToscaAbaqusFe-safe缸盖低周疲劳寿命联合优化仿真

赵愿军王艳军陈明

(上海汽车集团股份有限公司技术中心/上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804)

摘要:缸盖的低周疲劳开裂失效是缸盖的重要失效方式,也是整个开发周期重点关注失效之

一。缸盖的热机械疲劳CAE仿真分析可以预测缸盖在热冲击交变载荷工况下的疲劳寿命,

从而有效预防和评估发动机缸盖的低周疲劳开裂问题。自主研发某缸盖过程中,缸盖排气

道出口附近出现热机械疲劳寿命不满足设计要求。创新性开展Abaqus、Fe-safe和Tosca联

合优化仿真,快速找到薄弱点疲劳寿命提高的优化方向,然后根据优化的结果制作新方案,

新方案缸盖的的低周疲劳寿命提升20.7%,满足设计要求,也通过了后续的试验考核。

关键词:联合优化仿真,热冲击低周疲劳分析,形貌优化,缸盖排气道

Abstract:Thermomechanicalfatigue(TMF)isseemedasoneofthemostterriblefailureforms

forcylinderheadespeciallyintegratedexhaustmanifold(IEM)head.AndalsoTMFfailureof

cylinderheadishighlymonitoredthroughtheenginedevelopment.Bymeansoftransientthermo

mechanicalfatiguesimulationanalysisofcylinderhead,thethermomechanicalfatiguelifecycles

canbecalculatedandevaluated.Inoneself-developedengineheadatSAICMOTOR,thereisa

lowTMFlifecyclesareaoncylinderhead.AndthenAbaqusFe-safeToscaco-optimization

simulationisperformedtofindhowtooptimizethelowTMFissure.Finallyaccordingtoco-

simulationresults,thenewdesigniscarriedoutandtheTMFlifecyclesimproveby20.7%and

passestheTMFevaluationandlaterenginebench-test.

Keyword:Co-optimization,TMFanalysis,Shapeoptimization,HeadIEM

0引言

缸盖排气道一面承受火焰面的高温冲击,一面接受附近水套的冷却换热,在瞬态交变

工况下,排气道的温度变化快,温度梯度大,排气道承受拉压交变恶劣载荷。在发动机台

架热冲击试验中,出现过缸盖排气道开裂导致的冷却液泄漏等重大TIR问题。低周疲劳开

裂TIR问题的解决费时费力,往往导致项目开发计划延后,造成较大损失,因此缸盖低周

疲劳开裂问题重在前期预防。经过上汽技术中心在缸盖材料和仿真技术上的研究积累,在

缸盖设计研发前期,通过低周疲劳仿真评价体系来预防和评估缸盖低周疲劳开裂风险[1-2]。

鉴于人工经验在优化低周疲劳寿命时经验有限或针对复杂问题经验不够准确等问题,经过

不断探索、研究多学科联合优化方法来弥补人工经验的不足。经过长时间的实践,本文将

Abaqus、Fe-safe和Tosca多学科联合优化仿真方法与实际项目相结合,运用于缸盖低周疲

劳寿命的联合仿真优化上,突破性支持缸盖低周疲劳寿命的设计风险消除。

缸盖低周疲劳的理论计算采用经典的Manson-Coffin公式(1963)[3-4]如式(1)所示

εa=εea+εpa=

σ′f

E

(2N)b+ε′f(2N)c(1)

式(1)中σ‘–疲劳强度系数,应力量纲;b-疲劳强度指数,无量纲;ε’-疲劳延性系

ff

数,无量纲;c-疲劳延新系数,无量纲。对于大多数材料,b=-0.06~-0.14,c=-0.5~-0.7。

本文计算中采用的材料数据为上汽某缸盖材料实测数据。

1.缸盖排气道低周疲劳分析技术路线

缸盖排气道的低周疲劳仿真技术路线如图1所示。

分析1:全局模型

瞬态温度场分析

分析5:Fe-safe疲劳分

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