趙 丹, 劉 勤, 劉 英, 李 娟

(中國(guó)兵器工業(yè)質(zhì)量與可靠性研究中心， 北京 100089)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

大功率發(fā)動(dòng)機(jī)活塞蠕變-疲勞可靠性分析方法研究

趙 丹, 劉 勤, 劉 英, 李 娟

(中國(guó)兵器工業(yè)質(zhì)量與可靠性研究中心， 北京 100089)

針對(duì)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)活塞在周期性爆發(fā)壓力、活塞銷反力、高溫及循環(huán)熱載荷復(fù)雜工況下經(jīng)常出現(xiàn)的蠕變-疲勞故障現(xiàn)象，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法研究材料、高溫等因素對(duì)蠕變-疲勞故障的影響規(guī)律，提出基于故障物理的機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)，以故障機(jī)理為單元，分別建立蠕變、疲勞及其交互作用的損傷模型，利用損傷等效方法建立基于線性損傷累積的活塞蠕變-疲勞可靠性模型，對(duì)活塞可靠度、靈敏度和可靠壽命進(jìn)行了分析計(jì)算,并對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)蒙特卡洛法計(jì)算結(jié)果接近，但計(jì)算量明顯減少。

活塞；蠕變-疲勞故障；可靠性分析；故障物理；損傷等效

為滿足新一代主戰(zhàn)坦克和新概念未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)對(duì)高緊湊、輕量化推進(jìn)系統(tǒng)的需求，國(guó)內(nèi)外均在積極發(fā)展高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)，以德國(guó)MTU890發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其單位體積功率達(dá)到1 358 kW/m3，而單位功率質(zhì)量?jī)H0.94 kg/kW，與相同功率的普通發(fā)動(dòng)機(jī)相比，質(zhì)量和體積減小約60%?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)中直接承受熱載荷和機(jī)械載荷綜合作用的運(yùn)動(dòng)部件之一，其工況惡劣，失效機(jī)理復(fù)雜。在發(fā)動(dòng)機(jī)試樣研制、試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)多起活塞連桿組故障，尤其在高原、高熱區(qū)域使用時(shí)，更為突出。對(duì)于大功率發(fā)動(dòng)機(jī)活塞，隨著其功率密度和轉(zhuǎn)速的不斷提高，活塞頭部位置的最高溫度達(dá)到350～400 ℃，所承受的最大爆發(fā)壓力達(dá)到22 MPa[1-2]?；钊诟邷亻L(zhǎng)期作用下，不僅容易發(fā)生疲勞失效[3-5]其蠕變的影響不可忽視[6]，如某發(fā)動(dòng)機(jī)活塞產(chǎn)生頭部裂紋?；钊粌H承受周期性變化的爆發(fā)壓力、活塞銷反力等作用，并且處于高溫和循環(huán)熱負(fù)荷狀態(tài)，其故障機(jī)理為疲勞與蠕變?cè)斐苫钊麅?nèi)部損傷[7-8]，且蠕變損傷的微孔洞生長(zhǎng)與疲勞損傷的微小裂紋存在耦合作用，影響活塞壽命。

1 蠕變-疲勞故障影響因素分析

根據(jù)蠕變-疲勞故障的發(fā)生機(jī)理，本文從材料力學(xué)性能、高溫及載荷等幾個(gè)方面對(duì)蠕變-疲勞故障的影響因素分析。

1.1 材料力學(xué)性能

高溫下材料的力學(xué)和疲勞特性往往會(huì)發(fā)生急劇蛻化。為了研究高溫環(huán)境對(duì)材料性能的影響，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞常用材料鋁合金試樣做拉伸試驗(yàn)。圖1為材料力學(xué)參數(shù)隨溫度的變化情況。

由圖1可以看出，材料的性能參數(shù)均具有分散性，因此在對(duì)活塞進(jìn)行靠性分析時(shí)，材料性能參數(shù)的隨機(jī)性是不可忽略的[9]。此外，隨著溫度的升高，材料在高溫下微觀組織發(fā)生的變化[10-11]，材料抵抗蠕變-疲勞的能力降低，產(chǎn)品壽命縮短。

1.2 高溫蠕變影響

為了研究高溫對(duì)結(jié)構(gòu)蠕變的影響，選擇拉伸試樣為研究對(duì)象，分別對(duì)環(huán)境溫度為200℃、300℃和400℃，機(jī)械載荷P為0.3σb、0.5σb、0.7σb進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬試驗(yàn)，測(cè)定了40 min(2 400 s)內(nèi)蠕變變形情況。

圖2為各試驗(yàn)溫度及不同載荷下，試樣最大應(yīng)變節(jié)點(diǎn)蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。由圖2可以看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，蠕變速率減慢，呈現(xiàn)出過(guò)渡蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變典型的兩階段特征[12]。隨著溫度的升高，同一時(shí)刻材料的蠕變應(yīng)變?cè)黾?，材料抵抗蠕變變形的能力大幅下降。圖2(a)、圖2(c)比較可知，高溫環(huán)境下材料的蠕變變形對(duì)機(jī)械載荷十分敏感，環(huán)境溫度為400 ℃，機(jī)械載荷由0.2σb～0.7σb時(shí)，蠕變應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)5倍以上。隨著機(jī)械載荷、特別是溫度的增加，蠕變變形的大小呈指數(shù)、冪指數(shù)的關(guān)系增長(zhǎng)[13]。

通過(guò)對(duì)蠕變-疲勞故障影響因素的分析可知，對(duì)活塞進(jìn)行可靠性分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮活塞材料性能、工作溫度及載荷工況等因素?？煽啃越＿^(guò)程中，考慮到材料蠕變、疲勞特性與活塞構(gòu)件存在差異，在此參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)其進(jìn)行了修正。

圖1 不同溫度下的活塞材料力學(xué)性能參數(shù)

2 基于損傷等效的活塞蠕變-疲勞可靠性建模

在蠕變-疲勞故障機(jī)理作用下，研究零部件壽命的方法主要有3種[14]：第1種認(rèn)為蠕變和疲勞互不影響，分別獨(dú)立進(jìn)行疲勞壽命和蠕變壽命的計(jì)算，選擇兩種結(jié)果的較小數(shù)值，但所得結(jié)果與實(shí)際相差較大。第2種以疲勞或蠕變?yōu)橹鳎瑢⒘硪粋€(gè)故障機(jī)理作為影響因素。該計(jì)算方法計(jì)算簡(jiǎn)單，適用于失效模式主次影響分明，耦合作用較小的情況。第3種將蠕變和疲勞同等對(duì)待，考慮它們對(duì)零部件損傷的共同作用及相互影響，這種方法能客觀全面的考慮蠕變-疲勞對(duì)零部件破壞的作用。

圖2 高溫和載荷對(duì)蠕變變形的影響

圖3 蠕變-疲勞損傷等效模型構(gòu)建流程

通過(guò)對(duì)活塞蠕變-疲勞故障機(jī)理及影響因素的分析，本文借鑒第三種方法，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)發(fā)生的蠕變-疲勞故障，在分別研究單一故障機(jī)理和交互作用損傷模型基礎(chǔ)上，利用損傷等效方法建立蠕變-疲勞可靠壽命模型，建模流程如圖3所示。

2.1 蠕變損傷模型

由于活塞材料參數(shù)具有一定的分散性，將其視為隨機(jī)變量，利用Box-Behnke方法取樣，生成樣本，通過(guò)ANSYS進(jìn)行蠕變分析，獲得活塞蠕變變形結(jié)果。利用最小二乘法你和蠕變相應(yīng)面系數(shù)，確定蠕變的響應(yīng)面函數(shù)，如式(1)：

εc=2×10-7×P+4×10-10×E+13.65×α+6.97×10-9×β+2.48×10-4×c1-2.57×10-8×c2-2.1×10-9×P×E+4.4×10-4×E×α+6.9×10-6×P×c1+6.4×10-10×β×c1-1.7×10-3×α×c2+1.0×10-5

(1)

式(1)中，E為彈性模量；α為線膨脹系數(shù)； β、c1、c2為蠕變參數(shù)。

假設(shè)一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)-穩(wěn)定-停止循環(huán)，平均為2h。則每個(gè)啟動(dòng)-穩(wěn)定-停止循環(huán)，活塞的蠕變損傷dDc為

(2)

2.2 疲勞損傷模型

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況及活塞通常發(fā)生的低周疲勞，疲勞損傷Df可借助于Manson-Coffin公式計(jì)算[15]。對(duì)于平均應(yīng)變不為零的情況，采用工程上廣泛應(yīng)用的莫羅(Morrow)修正公式：

2.3 蠕變、疲勞交互作用損傷模型

蠕變、疲勞交互作用dDfc以疲勞損傷、蠕變損失和交互作用系數(shù)表示：

(5)

式(5)中，B為交互作用系數(shù)，與材料、溫度等有關(guān)。通過(guò)進(jìn)行疲勞、蠕變?cè)囼?yàn)，統(tǒng)計(jì)確定交互作用系數(shù)B為0.187，B>0說(shuō)明疲勞、蠕變的交互作用促進(jìn)損傷累積。

2.4 活塞蠕變-疲勞可靠性模型

針對(duì)活塞工作過(guò)程中發(fā)生的蠕變-疲勞故障，本文采用故障機(jī)理可靠性分析方法，以故障機(jī)理為單元，通過(guò)線性累積方式構(gòu)建蠕變-疲勞總損傷模型

dD=dDf+dDc+dDfc

(6)

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)規(guī)范，試驗(yàn)總時(shí)間1 000h，相當(dāng)于500次啟動(dòng)-穩(wěn)定-停止循環(huán)。根據(jù)損傷累積準(zhǔn)則，總損傷累積至1時(shí)，活塞發(fā)生故障，由此建立極限狀態(tài)函數(shù)：

(7)

3 活塞可靠性求解及方法驗(yàn)證

3.1 活塞結(jié)構(gòu)及工況

活塞連桿組是裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)件，把燃燒氣體的壓力傳遞給曲軸，是直接承受火力的運(yùn)動(dòng)組件。由于工況惡劣，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制、試驗(yàn)過(guò)程中活塞連桿組出現(xiàn)過(guò)多起故障?；钊B桿組主要由活塞環(huán)、活塞、連桿、活塞銷、連桿螺栓等零部件組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 活塞連桿組結(jié)構(gòu)示意圖

活塞作為重要組成部件，在工作時(shí)頭部承受很高的燃?xì)獗l(fā)壓力作用，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力高達(dá)22 MPa?；钊^部與缸內(nèi)的高溫燃?xì)庵苯咏佑|，最高工作溫度達(dá)350～400 ℃。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟停循環(huán)時(shí)，循環(huán)的機(jī)械應(yīng)力和高溫環(huán)境作用造成活塞內(nèi)部產(chǎn)生損傷，發(fā)生蠕變-疲勞故障。

3.2 活塞可靠度靈敏度求解

根據(jù)活塞可靠性模型(式(7))，利用一次二階矩法，可得活塞的可靠度為0.997，失效概率為3‰。各隨機(jī)變量對(duì)活塞可靠度的靈敏度如圖5所示。材料抗拉強(qiáng)度σb、蠕變參數(shù)c1、斷裂延性εf對(duì)活塞可靠度影響的靈敏度較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)從這3個(gè)參數(shù)及其隨機(jī)性方面考慮。

圖5 活塞可靠性靈敏度

3.3 活塞可靠壽命求解

分別計(jì)算N0=700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300、1 400、1 500、1 600、1 700時(shí)活塞的可靠度，以曲線描述活塞可靠度、失效概率與壽命的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 活塞可靠度-壽命關(guān)系

通過(guò)曲線插值，能夠確定任意給定可靠度的活塞壽命。例如，需要計(jì)算可靠度為0.5的活塞壽命時(shí)，可以通過(guò)活塞可靠度-壽命關(guān)系圖插值得到其可靠壽命約為1 600 h。即經(jīng)歷大概800次啟動(dòng)-工作-停止循環(huán)，有一半活塞發(fā)生蠕變-疲勞故障。

3.4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證本文蠕變-疲勞可靠壽命計(jì)算方法，分別用傳統(tǒng)蒙特卡洛法和本文方法計(jì)算可靠度為0.9時(shí)的活塞壽命，本文方法計(jì)算一次需要進(jìn)行7次迭代，繪制可靠度-壽命插值圖共需迭代77次。結(jié)果如表1所示。

表1 活塞可靠壽命計(jì)算結(jié)果

由表1可看出，本文計(jì)算方法與傳統(tǒng)蒙特卡洛法計(jì)算結(jié)果近似，計(jì)算量明顯減少。

4 結(jié)論

1) 基于損傷等效的蠕變-疲勞可靠性模型給出了蠕變損傷與疲勞損傷耦合作用的數(shù)學(xué)關(guān)系，客觀全面的反映了蠕變-疲勞故障的損傷累積過(guò)程。

2) 材料抗拉強(qiáng)度σb、蠕變參數(shù)c1、斷裂延性εf對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞可靠度影響的靈敏度較高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮這幾個(gè)參數(shù)及其隨機(jī)性，提高活塞的可靠性。

3) 蠕變-疲勞可靠壽命計(jì)算方法的結(jié)果與傳統(tǒng)蒙特卡洛模擬法計(jì)算結(jié)果接近，計(jì)算量大幅減小，提高了計(jì)算效率。

[1] PETER KEMNITZ, OLAF MAIER, RALPH KLEIN. Monotherm, A New Forged Steel Piston Design for Highly Loaded Diesel Engines[C]//SAE Paper 2000-01-0924,2000.

[2] 馬學(xué)軍,馬呈新,郭偉.適應(yīng)歐III要求的柴油機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2006( 2):11-13.

[3] FLOWEDAY G,PETROV S,TAIT R B．Thermo-mechanical fatigue damage and failure of modern high performance diesel pistons[J]．Engineering Failure Analysis,2011,18(7):1664-1674.

[4] 張俊紅,何振鵬,張桂昌，等.柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷耦合研究[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2011,29(1)：78-83.

[5] SROKA Z J．Thermal load of tuned piston[J]．Ar-chives of Civil and Mechanical Engineering,2012,12(3)：342-347.

[6] 張衛(wèi)正.內(nèi)燃機(jī)受熱件熱疲勞試驗(yàn)與壽命預(yù)測(cè)[D].北京:北京理工大學(xué),2002.

[7] 張俊善.材料的高溫變形與斷裂[M].北京: 科學(xué)出版社,2007.

[8] 田素貴,周惠華. 一種單晶鎳基合金的高溫蠕變損傷[J].金屬學(xué)報(bào),2003,12(2):22-25.

[9] 劉勤,孫志禮,涂紅茂,等.基于單循環(huán)功能度量法的結(jié)構(gòu)可靠壽命優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào),2016(6):6-9.

[10]KASPRZAK W, EMADI D, SAHOO M,et al. Development of aluminum alloys for high temperature[J]. Materials Science Forum, 2009, 618(s1-4): 595-600.

[11]HUMBERTJEAN A, BECK T. Effect of the casting process on microstructure and lifetime of the Al-piston-alloy AlSi12Cu4Ni3 under thermo-mechanical fatigue with superimposed high-cycle fatigue loading[J]. International Journal of Fatigue, 2013, 53(5): 67-74.

[12]余壽文，馮西橋. 損傷力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1997.

[13]張衛(wèi)正，魏春源，蘇志國(guó),等.內(nèi)燃機(jī)鋁合金活塞疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2003,14(10):865-867.

[14]張衛(wèi)正.內(nèi)燃機(jī)受熱件熱疲勞試驗(yàn)與壽命預(yù)測(cè)[D].北京:北京理工大學(xué),2002.

[15]吳波，叢茜，楊利等.具有仿生條紋結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)活塞疲勞特性回歸分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016,32(4)：48-55.

(責(zé)任編輯 周江川)

Research on Creep-Fatigue Reliability Analysis Method of High Power Engine Piston

ZHAO Dan, LIU Qin, LIU Ying, LI Juan

(Quality and Reliability Center of China North Industries Group Corporation, Beijing 100089, China)

The piston of high power engine worked in the environments of periodic explosion pressure, piston pin reaction, high temperature and cyclic thermal. In order to study the creep-fatigue failure frequently appeared on the piston, the influence law of material and high temperature were studied by experiment and numerical simulation. A reliability design analysis method based on fault physics was put forward. Failure mechanism was treated as a unit. The damage models of creep, fatigue and their interaction were established respectively. The creep-fatigue reliability model of piston was established based on the linear damage accumulation method. The reliability, sensitivity and reliable life of piston were analyzed and calculated. And calculation method was compared with Monte Carlo method. Calculation results are Similar, but amount of calculation is obviously reduced.

Piston; creep-fatigue failure; reliability analysis; fault physics; Damage equivalent

2017-05-12；

2017-06-23 基金項(xiàng)目：武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目(51319010103)

趙丹(1984—)，女，碩士研究生，工程師，主要從事武器裝備機(jī)械可靠性研究。

10.11809/scbgxb2017.08.014

format:ZHAO Dan, LIU Qin, LIU Ying, et al.Research on Creep-Fatigue Reliability Analysis Method of High Power Engine Piston[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):58-62.

TP202.1;TJ81

A

2096-2304(2017)08-0058-05

本文引用格式：趙丹, 劉勤, 劉英,等.大功率發(fā)動(dòng)機(jī)活塞蠕變-疲勞可靠性分析方法研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(8):58-62.