发动机缸盖热机械疲劳及寿命预测研究

缸盖作为发动机的关键组成部件,使用工况较复杂,容易发生热机械疲劳(TMF)失效,其疲劳强度特性的优劣直接影响发动机的寿命。文章针对发动机开发过程中缸盖开裂的工程问题,建立了缸盖高周疲劳(HCF)和低周疲劳(LCF)计算模型,综合分析缸盖开裂的原因。根据发动机热冲击试验规范计算了缸盖的瞬态温度场,以反映实际试验中金属温度场情况;进行了缸盖TMF材料属性测试,得到了等温低周疲劳数据;同时在TMF计算模型中考虑了蠕变、氧化、硬化和软化等因素。计算结果表明,该缸盖局部存在寿命较低的情况,位置与试验中缸盖开裂位置吻合;经过局部结构优化,寿命达到设计要求,并通过了试验验证,解决了该缸盖的开裂问题,为后续开发提供了技术保障。     

汽车前端冷却模块热应变与其车载寿命等效研究

使用Ansys软件分析了冷却模块产品的温度场和应变分布,并预测失效位置;同时,在试车场内和试验台架上对测点位置进行了耐久工况应变测试。利用雨流统计法处理应变数据,得到应力幅和循环次数的关系,并使用S-N曲线和Miner法计算了试验工况造成的损伤。使用损伤等效的方式,在某冷热循环条件下,确定了等效到试车场总损伤的循环次数。试验验证确认了实验室条件下热疲劳与试车场实际工况的等效性良好。尽管需要进一步探究温变速率对试验结果的影响,但其疲劳寿命的研究在工程领域已经具备一定的应用可行性。研究提供了可靠的方法和依据,可用于评估产品的热疲劳性能。未来的研究可以集中在温变速率对热疲劳的影响方面,以提高该方法的工程应用性。     

气缸盖材料热疲劳试验台的开发

为比较不同气缸盖材料在实际循环热负荷条件下的疲劳特性,开发了1套用于进行热疲劳分析的新型试样设计与试验系统。采用有限元分析对试样几何结构和热循环进行了优化。利用高频感应加热器对热疲劳试样的哑铃形截面进行了局部加热,并利用压缩空气对其进行了冷却。然后,利用试样范围内产生的非均匀热梯度内部诱导产生机械应变,从而精确模拟气缸盖内气阀桥在实际工况下的运行情况。所得到的疲劳寿命不仅与合金固有的抗疲劳强度有关,而且还与导热系数、弹性模量和热膨胀系数等其他相关属性有关。该试验是比较不同合金热疲劳应用的必要工具。为了研究组成变化及热处理对热机性能的影响,对4种铝合金进行了测试,并对该试验方法及其结果进行了详细介绍。     

排气歧管失效诊断研究

针对发动机开发过程中排气歧管开裂的工程问题,采用Abaqus CAE建立了排气歧管及其相关部件的有限元模型,根据排气歧管裂纹试验规范模拟计算排气歧管瞬态温度场;随后进行排气歧管的瞬态流固耦合分析,计算结果表明排气歧管局部存在塑性应变过大的情况,与裂纹试验中排气歧管开裂位置吻合;经过局部结构优化,最终解决了该排气歧管的开裂问题。     

动力总成系统结构强度有限元仿真优化及应用

动力总成实体结构件优化是设计开发评估中的难点问题。借助计算机辅助工具,结合某动力总成开发项目,详细研究本体零件结构疲劳产生的影响因素,模拟真实系统开发认证工况及受载状态,并对疲劳危险区域进行结构优化。模型考虑了系统结构近似瞬态温度场、变缸压、螺栓衰减等影响因素,并运用子模型驱动方法,通过Tosca实现ABAQUS和疲劳软件联合仿真,进行快速局部形状优化,大大提高了项目开发评估效率。该方法推广运用到其他零件上,成功通过优化结构形状,解决某变速箱齿毂开裂失效问题,试验验证效果良好。     

基于超单元理论的焊接疲劳分析

为解决汽车尾门疲劳工况中激光焊开裂问题,更准确地反映尾门疲劳工况中激光焊开裂情况,文章基于超单元理论,建立用于激光焊的精细化模型,通过对激光焊临近裂纹尖端区域的细化模型,得到修正的多维度刚度矩阵。同时引入密封条的非线性材料属性标定,准确模拟汽车尾门密封条在高应变率下非线性的动态性能,有效提高了车辆尾门激光焊计算效率和疲劳开裂的风险预测精度。最后通过相关试验验证该精细化疲劳模型的合理性和准确性,高效助力尾门结构改进,减少实验周期及成本。     

利用CFD-FEA耦合法分析三元催化器总成热疲劳问题

为了解决三元催化器总成进气端锥开裂的问题,开展了CFD-FEA耦合分析,计算了零件的温度场。以此为输入,计算出等效塑性应变差值(Delta-PEEQ),超出了目标值,导致了零件的热疲劳失效。接着对方案进行优化,降低系统模态,以释放热应力。对优化方案重新进行CFD-FEA耦合分析,系统的DeltaPEEQ满足设计要求。该方案也经过了台架试验考核,验证了方案的可靠性。     

钢桥桥面沥青铺装层应变变化规律研究

在钢桥模型上进行SMA和AC沥青混合料铺装层直道疲劳试验,研究重复加载过程中应变变化规律,分析了桥面铺装层疲劳开裂性能。     

钢板弹簧疲劳开裂问题分析与优化

某轻卡在四立柱振动台架上进行整车道路耐久模拟试验,在试验过程中出现后悬架副板簧疲劳开裂的问题,通过CAE方法对板簧总成进行非线性仿真分析,针对板簧薄弱区域进行优化改进.然后基于板簧总成等幅疲劳损伤与变幅疲劳损伤当量关系,对板簧疲劳仿真模型采用等幅循环加载,计算优化后的板簧总成与原板簧总成相对疲劳寿命比值,确保优化后的板...     

钢桥面浇注式沥青+改性沥青SMA铺装结构疲劳抗裂性能评估

为评价钢桥面铺装材料抗疲劳开裂性能,采用四点弯曲试验进行不同温度和应变条件下的高弹改性SMA10疲劳试验,建立不同温度下的疲劳行为方程;通过有限元模型提取铺装层顶面最大弯拉应力,计算SMA10在不同温度区间疲劳损伤度,建立钢桥面铺装疲劳开裂预估模型。研究结果表明,温度和应变对钢桥面铺装开裂影响显著;温度每升高10℃,高弹改性SMA10的疲劳寿命提高4~5倍;应变条件和疲劳寿命之间具有很好的指数函数关系,其相关性系数均大于0.9;通过预估模型结果表明,浇注式沥青混合料GA10+高弹改性沥青SMA10结构的疲劳开裂寿命为16年,其预估结果为钢桥面铺装方案的选择提供了理论依据。     

钢桥桥面沥青铺装层直道试验研究

在钢桥模型上进行了6种沥青混合料铺装层直道疲劳试验和高温车辙试验，研究了重复加载过程中应变变化规律，分析了桥面铺装层疲劳开裂性能，比较了各方案高温稳定性能。     

基于疲劳损伤的沥青路面设计温度及预估模型研究

针对沥青路面结构必须控制的疲劳破坏形式,以沥青层层底拉应变作为控制沥青路面疲劳开裂的指标。通过实测沥青面层层底最大拉应变与路面结构不同深度处路面温度的相关性分析,确定了沥青路面疲劳损伤的设计温度,提出了以沥青层中间温度作为沥青路面疲劳开裂分析的设计温度和试验条件。通过实测永久性沥青路面试验路每小时的路面温度和气象数据,分析了沥青层中间温度的分布规律,对沥青层中间温度与气温、路面深度之间的相关关系进行了计算分析,建立了沥青层中间温度的预估模型。结果表明,沥青路面应变响应与温度密切相关,随着路面温度的升高,沥青层底拉应变增大;沥青层中间深度处温度与沥青层底拉应变相关性最高,采用沥青层中间深度处温度能较好地评价路面结构的抗疲劳性能。     

预应力混凝土梁疲劳预应力损失探索性试验

为了探索性地研究预应力混凝土梁的疲劳预应力损失问题,设计制作了4根后张有粘结预应力混凝土简支试验梁,对其进行了位移等幅疲劳试验.通过在预应力混凝土简支梁的跨中预压区埋置应变传感器,测量疲劳试验过程中混凝土的应变变化量,确定预应力混凝土梁的疲劳预应力损失量.试验结果表明,预应力混凝土梁在动荷载作用下会发生疲劳预应力损失;疲劳预应力损失主要发生在动荷载作用的初始阶段;疲劳预应力损失与疲劳循环次数基本符合指数函数的变化规律.研究成果有益于预应力混凝土桥梁设计理论的进一步完善.     

沥青混合料疲劳损伤非线性演化统一模型试验研究

通过相同条件下一组大样本沥青混合料应变控制小梁弯曲疲劳试验,将弯曲疲劳循环次数和对应循环次数的模量无量纲化后,拟合得到了一组疲劳损伤和对应循环次数比的关系曲线,发现各曲线之间非常相似,尽管各试件的疲劳寿命相差较大。对曲线族进一步分析,归纳得到了此沥青混合料疲劳损伤的非线性演化的统一模型。     

基于疲劳应变演化的混凝土弯曲强度退化分析

为了研究混凝土在弯曲疲劳荷载作用下的强度退化规律,提出了基于疲劳应变演化的混凝土弯曲强度退化分析方法。基于疲劳应变三阶段演化规律及目前拟合方法的不足,构造了水平S形非线性应变演化模型,讨论了模型参数的物理含义、取值范围以及参数对模型曲线的影响;通过对常用损伤变量优缺点的分析,在应变空间上建立了疲劳损伤演化方程;结合混凝土疲劳强度退化的边界条件与同一损伤状态疲劳应变与弯曲强度必然存在唯一对应关系假定,建立了混凝土弯曲强度衰减方程式,整个过程都用玻璃纤维混凝土的试验数据进行了对比分析与验证。研究结果表明:水平S形非线性应变演化模型涵盖了疲劳应变演化规律的各种类型,具有适应性强、精度高的特点,适用于玻璃纤维混凝土疲劳应变演化的描述,也可在钢纤维混凝土以及各种再生混凝土疲劳应变分析中推广应用;基于疲劳应变演化模型建立的损伤演化曲线起初增长较快,中间线性增大,循环比超过0.9时急速增加,具有从左下角至右上角的水平S形变化规律,且与试验曲线吻合较好;弯曲强度衰减曲线起初下降较快,中间线性变化,循环比超过0.9时又迅速下降,衰减曲线为从左上角至右下角的S形曲线。     

基于FEMFAT的某牵引车车架台架疲劳分析

本文针对某牵引车车架在台架试验中出现的纵梁局部孔位处开裂的问题进行分析,结合台架试验以及仿真分析结果,提出优化方案。首先根据有限元理论以及台架试验的边界条件建立了车架台架的有限元模型,并且对台架试验运行过程进行静强度分析,经过电测对标确认了模型的精度。然后根据疲劳分析理论、材料的疲劳试验结果,在FEMFAT软件中建立相应的材料参数以及载荷谱,进行疲劳仿真分析,对台架试验出现的开裂情况进行了复现。针对开裂故障提出工艺优化办法,在后续台架试验中进行验证。     

T-car后桥台架疲劳试验研究

采用台架疲劳试验模拟了T-car后桥在道路试验中的受力状态。通过对T-car后桥进行的总成扭转试验、总成单侧侧向力试验和总成单侧纵向力试验,测得了各测点在疲劳循环中的应变幅、主应变幅度,并采用Coffin-M anson公式估算了寿命。试验表明,台架疲劳试验能反映路试时的疲劳损伤,根据T-car后桥用钢的应变疲劳性能估算得到的疲劳寿命与实际路试结果相符。     

HMA疲劳极限存在性及其确定方法研究

该文利用梁式疲劳试验设备进行测试,研究HMA疲劳极限是否存在及其确定方法。通过采用PG64-22沥青和Superpave级配在最佳沥青含量下制作大量试件,在不同的应变水平下进行疲劳试验。结果表明HMA具有疲劳极限的特征,文中HMA疲劳极限约为100με。在测试数据基础上,分别采用幂模型、对数模型、指数模型和Weibull函数对疲劳极限预估方法进行研究。研究表明:试验室梁式疲劳测试需要超过1 000万次循环才能得到疲劳极限的较准确预估;对数模型较适合预估疲劳寿命低于5 000万次的情况;Weibull函数适合预估疲劳寿命接近或大于5 000万次以及试验应变高于疲劳极限的情况。     

考虑焊接螺母的排气管支架疲劳优化研究

针对在四通道液压振动台及试车场路试过程中,某样车排气管支架出现的焊接螺母疲劳开裂问题,在考虑焊接螺母焊点和螺栓预紧力的前提下,建立开裂支架的局部非线性有限元模型,根据Miner线性疲劳累计损伤理论和材料S-N曲线,对正弦信号激励下的排气管支架进行疲劳分析。在此基础上,提出优化方案,进行仿真疲劳寿命预测,并对简化后的局部排气管支架模型进行疲劳验证,优化前后的仿真模型寿命曲线趋势与试验结果基本吻合,危险区域分布与试验一致。针对焊接螺母或者螺栓连接的支架疲劳开裂问题,在考虑螺栓预紧力的基础上,建立局部模型疲劳分析并结合试验验证,提出优化方案解决问题。试验结果表明,该流程方法对解决实际问题具有一定的借鉴意义。     

钢桁梁整体焊接节点疲劳性能模型试验

整体焊接节点钢桁梁具有广阔的应用前景,其疲劳性能由整体焊接节点所决定。以长清黄河大桥为研究对象,通过理论分析和两尺度疲劳破坏试验对钢桁梁整体焊接节点的疲劳性能进行了研究。首先通过全桥杆件内力分析和多尺度疲劳损伤分析确定了控制主桁疲劳性能的整体焊接节点位置及其控制构造细节;在此基础上设计了2类共21个试验模型,其中包括20个构造细节试样模型和1个足尺节段模型,进行了疲劳破坏试验,确定了整体焊接节点控制构造细节的主导疲劳开裂模式、应力集中系数和疲劳强度。研究结果表明：节点顶板、横梁上翼缘与节点板熔透对接焊连接细节是整体焊接节点疲劳性能的控制构造细节,其主导疲劳开裂模式为从节点板焊趾起裂并沿板厚扩展;实际受力模式下,控制构造细节中节点板焊趾应力集中系数为1.163,横梁上翼缘焊趾应力集中系数为1.789;2类试验模型的宏观疲劳裂纹起裂寿命均占总疲劳寿命的75%以上,故将2类试验模型的疲劳失效判据统一定义为出现宏观疲劳裂纹;基于此,2类试验模型所得到的控制构造细节疲劳强度等级基本一致;控制构造细节2种开裂模式名义应力疲劳强度等级均建议采用公路钢结构桥梁设计规范中的FAT80,热点应力疲劳强度均建议采用欧规中的FAT90。