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缸盖低周疲劳分析方法研究路明;王振【摘要】由于缸盖工作在高温的环境中,并且在高低温的循环变化下,缸盖材料基本处于屈服状态,同时缸盖又受到爆发压力等周期性的机械载荷,因此缸盖极易发生开裂的情况.针对某直列四缸发动机,研究缸盖的低周疲劳分析方法,在发动机初期对缸盖的危险位置进行预测.分析表明,此方法可以有效地预测缸盖的低周疲劳安全系数.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2016(045)001【总页数】3页(P87-89)【关键词】低周疲劳;缸盖;发动机;有限元方法;安全系数【作者】路明;王振【作者单位】江淮汽车股份有限公司技术中心,安徽合肥230601;天津大学内燃机研究所,天津300000【正文语种】中文【中图分类】TK412.4人们经过对疲劳断裂的分析和研究认识到，疲劳断裂总是起因于零部件关键部位应力或应变集中区的材料塑性应变，它是所有材料在任何环境和循环加载条件下造成疲劳损伤的原因。
零部件在受到长时间的周期载荷的作用下，在应力集中系数较大的区域，如倒角、孔洞、沟槽以及各种过渡区域，会产生循环塑性变形，随着循环载荷的持续，在薄弱区域就会产生微裂纹，并且持续扩展直到断裂[1]。
随着人们对于汽车油耗以及排放要求的逐步提高，导致发动机的爆发压力以及燃烧温度越来越高，而在高低温的循环工况下导致缸盖材料处于屈服的工作状态，使缸盖燃烧室的部位经常发生疲劳开裂。
文中基于修正的coffin-manson模型，研究缸盖的低周疲劳分析方法，对发动机汽缸盖的危险位置进行预测。
低周疲劳的普通公式，即coffin-manson模型为：式中：ΔεP为塑性应变幅度；N为材料到达疲劳断裂时的循环数，或称为疲劳寿命，α为材料的塑性指数。
由于要考虑温度的影响，因此对以上模型进行修正。
对于稳定循环，基于粘塑性应变幅和应力幅的损伤方程为：其中:B(T)=B0(b2T2+b1T+b0)式中:ΔεE为弹性应变幅；Δσ为应力幅；E(Tm)为温度在Tm时的弹性模量；Nf为疲劳寿命；β、B0、b0、b1、b2为与材料有关的常数。
收稿日期：2023-04-22基金项目：广西科技基地和人才专项基金（PD210209）作者简介：张进（1970-），男，天津人，高级工程师。
通讯作者：王许稳（1984-），男，河北保定人，副教授，博士，主要从事两相流动与传热等方面的研究。
基于流-热-固耦合的水冷壁应力场数值模拟研究张进1，赵旭1，王许稳2（1.华能集团辽宁分公司华能丹东电厂，辽宁东港118300；2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）摘要：锅炉水冷壁向火侧内烟气与水冷壁管内饱和水之间的传热，使水冷壁管间、水冷壁管与鳍片间、水冷壁向火侧和背火侧间产生较大的热应力。
本文通过数值模拟获得垂直膜式水冷壁管屏在较高炉膛温度下的温度场和应力场分布，获悉了水冷壁管内压力及温度决定了水冷壁热应力的大小及分布，得知了水冷壁管与鳍片拉裂的原因是锅炉热负荷在短时间内的交替变化，其计算结果为水冷壁在发生热应力拉裂破坏条件下的改进及合理应对拉裂事故提供了方向。
关键词：水冷壁；热应力；数值模拟；流固耦合；水平烟道中图分类号：TK472文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0024-05DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2023.03.005第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）为了与风力、光伏等新能源并网配合，火力发电在整个电网调频调峰中扮演着越来越重要的角色。
为了满足区域电网对电量的要求，大容量火力发电机组常常需要频繁且大范围地低负荷运行。
在大范围调峰过程中，锅炉的负荷可能大大偏离设计负荷，甚至低于设计负荷的20%。
如此大范围地调节负荷会使锅炉内烟气的温度场和流场发生剧烈的变化，导致炉膛水冷壁的温度产生交替波动［1-2］。
涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。
在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。
本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。
第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。
涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。
流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。
第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。
目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。
数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。
2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。
主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。
实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。
第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。
在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。
1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。
优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。
2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。
优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。
3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。
caarc双向流固耦合概述：CAARC（Computational Aero-Acoustics and Aero-Elasticity Research Center）双向流固耦合是一种研究方法，用于模拟空气动力学流场与振动固体结构相互作用的现象。
它综合了计算流体力学（CFD）和结构动力学（SD）两个领域的知识，能够更准确地预测飞行器振动和噪声特性。
流固耦合理论：在飞行器设计过程中，流场对振动固体的影响不可忽视。
CAARC 双向流固耦合模拟的核心是将流体动力学方程和固体结构动力学方程相互耦合，在求解过程中通过相互反馈的方式实现振动与噪声特性的收敛计算。
常见的双向流固耦合算法有强迫振动法、松弛法和迭代法等。
振动模态分析：振动模态分析是CAARC双向流固耦合的关键环节之一。
通过有限元模型建立振动系统的自然频率和模态形态，并与流场模拟结果进行耦合。
振动模态分析不仅可以评估结构对流场激励的响应，还可以指导飞行器的优化设计。
噪声预测：噪声预测是CAARC双向流固耦合研究的另一个重要应用领域。
通过数值模拟，可以预测飞行器在不同工况下产生的噪声水平，并通过优化设计减少噪声的传播和辐射。
噪声预测对于保证飞行器的安全性和环境友好性具有重要意义。
应用案例：CAARC双向流固耦合已经在飞行器设计中取得了显著成果。
以民用飞机设计为例，通过对机翼和发动机进行双向流固耦合模拟，可以优化气动造型和减轻噪声，提高飞机的飞行性能和乘客舒适度。
另外，CAARC双向流固耦合还在火箭、高铁等领域得到广泛应用，推动了相关领域的技术进步。
挑战与前景：尽管CAARC双向流固耦合技术已经取得了很多成果，但仍然面临着一些挑战。
首先，双向流固耦合模拟需要高性能计算资源，对计算能力的要求较高。
其次，流固耦合过程中的物理现象非常复杂，需要更加精细的数值模型和算法。
未来，随着计算能力的不断提升和数值模拟方法的不断改进，CAARC双向流固耦合技术将在飞行器设计和噪声控制等方面发挥更大的作用。
第39卷第6期齐齐哈尔大学学报（自然科学版）Vol.39,No.6 2023年11月Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition) Nov.,2023基于ANSYS Workbench的双向流固耦合振动仿真方法韩刚，郭美荣，刘瑞（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江齐齐哈尔161006）摘要：介绍一种易于应用到工程实际中的ANSYS Workbench仿真方法。
以CFM56-5B发动机扇级叶片的振动特性分析为例，通过Mechanical模块和CFX模块的耦合计算，详细阐述了ANSYS双向流固耦合振动仿真的方法以及在仿真过程中需要注意的事项，为分析复杂的非对称翼型截面的预扭叶片及其接近工程实际的流体场动力学振动问题提供理论参考。
关键词：ANSYS Workbench；ANSYS Mechanical；CFX；双向流固耦合中图分类号：V232.4 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2023)06-0011-04ANSYS Workbench求解流固耦合问题的主要方法有直接解法和分离解法。
直接解法很难将CSM和CFD 技术完美地融合到一起，并且同步求解收敛困难以及计算时间长等，所以，该方法主要用于某些单一的热结构耦合以及电磁结构耦合等简单的流固耦合情况。
分离解法与直接解法不同之处在于无需对流固耦合控制方程进行统一求解，在同一求解器或不同求解器中，将流体和结构控制方程按设定顺序分别求解，再把计算结果经由流固耦合面实现彼此的交换传递。
当前时刻满足收敛要求后，方可进入下一时刻的计算，最终依次得出计算结果。
它的最大优点是可以充分地运用现有计算固体力学和流体力学的程序和方法，仅需稍作修改，就能够保持程序的模块化。
并且，分离解法能在很大程度上减少对计算机内存的需求，因此非常适合于大规模的、实际问题的求解。
目前，分离解法是绝大多数商用CAE软件对流固耦合问题进行分析的主要方法[1]。
ABAQUS在汽车工业的应用整车分析：有限元模型包含各种零件，采用三维梁单元、壳单元、实体单元构成：重力荷载下的底盘的应力分刹车制动时底盘的应力分布：布：在不平整的路面上行驶——子结构：发动机方面的分析：Abaqus因其强大、精确和灵活的接触功能享有盛名，并可以对各种耦合场进行精确的模拟。
曲柄连杆机构—发动机连杆强度分析：下图是奇瑞公司的发动机连杆有限元模型，对大量非线性和多工况的内容进行了分析。
曲柄连杆机构—曲轴孔扭曲的分析：下图是GM汽车公司的曲轴孔扭曲的有限元模型及计算结果。
曲柄连杆机构—曲柄连杆机构的模拟：Abaqus独特的CONNECTOR单元可以模拟复杂的机构运动，部件可以是刚体也可以是变形体。
下图是上海内燃机研究所的曲柄连杆机构有限元模型及计算结果。
进排气系统—复合材料进气歧管强度分析：利用Abaqus与MOLDFLOW接口，得到复合材料进气歧管准确的材料本构关系，然后进行强度分析。
进排气系统—排气歧管的热应力分析：采用流固耦合分析方法，计算排气歧管的温度场和热应力。
下图是奇瑞公司的实机运行过程中发生裂纹的排气歧管模型，计算后提出了新的合理方案。
进排气系统—消音器声固耦合分析：进排气系统是汽车噪声的重要来源，采用Abaqus完全或顺序声固耦合分析，可以得到其中的声压分布，为发动机的降噪设计提供依据。
机体系统—机体模态分析：Abaqus中的Lanczos求解器可以快速准确的进行特征值提取，同时AMS求解器可以解决大规模模型的问题。
机体系统—缸体及轴承盖装配体应力分析：Abaqus采用其独有的子模型功能，方便的对总体模型进行局部细化，得到局部的详细的应力分布，为改进设计提供依据。
机体系统—缸体温度场分析：下图是利用Abaqus对发动机内的热固耦合进行分析的结果。
世界著名的发动机公司如AVL均采用Abaqus做为其产品的分析工具。
机体系统—缸盖温度场分析：采用流固耦合方法计算缸盖的温度场分布。
