2024年3月25日发(作者：盍华容)
基于ABAQUS的缸盖低周疲劳模拟仿真
路明
（江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）
摘要：对
cofiin-manson
模型进行温度修正，并通过有限元的方法对整机模型进行分析，得到缸
盖的温度场分布以及应力场分布，运用子模型的手段对缸盖燃烧室部分进行进一步的分析，针对
发动机的经典工况设计仿真计算疲劳循环工况，得到燃烧室位置的温度差、应力幅以及塑性应变
幅，进而得到缸盖燃烧室的低周疲劳安全寿命。分析结果表明缸盖达到了低周疲劳的设计要求。
关键词：
ABAQUS
；低周疲劳；有限元；
coffin-manson
模型；子模型
缸盖作为发动机的核心零部件，也是工作环境最恶劣的部件之一。承受着气体燃烧产生的高
温，在高温环境中，缸盖材料的机械性能会有明显的下降。在高低温交替变化，同时又承受循环
的机械载荷，缸盖的燃烧室部分很容易发生低周疲劳失效。
目前对于低周疲劳的分析并没有很好的方法，由于试验方法需要很高的费用且时间较长并不
能得到很好的应用。本文基于修正的coffin-manson模型，运用有限元的方法，并且为了提高计
算速度，使用子模型的方法，得到缸盖的危险部位燃烧室的温度差、应力幅以及塑性应变幅，进
而得到燃烧室的疲劳寿命分布，此方法可以提前预测缸盖的薄弱部位，指导缸盖设计。
1 有限元分析网格要求
缸盖受到的载荷主要为机械载荷和热载荷，其中机械载荷包括缸盖螺栓预紧力、气门座圈和
气门导管过盈安装产生的装配载荷以及缸内爆发压力，同时考虑缸垫的非线性特性，因此整个模
型需要包括缸体、缸盖、气门导管、气门座圈、缸垫和缸盖螺栓。
对缸垫模型进行简化，只保留起主要作用的缸垫筋，缸垫的网格类型选择GK3D12MN，包
括STOPPER部分和GASKET部分，首先STOPPER部分周向为了与缸孔网格一致选择60层网
格，其他部分以STOPPER网格的长度为基础划分，根据模型的情况进行适当调整。缸垫网格如
图1所示。
图1 缸垫网格 图2 缸盖部分网格
缸盖部分是最复杂的一个部件，网格数目占整个模型比例的66.6%。首先缸盖的结构非常复
杂，包括很多特征，而且必须被保留。其次，缸盖部分在后处理中关注的区域较多，并且在前处
理中有很多边界加载区域，这些区域网格要求细密，包括燃烧室、气道、油道以及缸盖水套部分。
第三，在ABAQUS分析时要求各不同部件的接触边界上网格节点一一对应，缸盖是与不同结构
接触最多的部件，包括与气门座圈、气门导管、缸垫以及缸盖螺栓等部件接触。缸盖部分整体网
格如图2所示。
由于缸体在此分析中只起到支撑的作用，作为约束的部分为了减少计算时间，对缸体可以进
行简化处理，在不影响刚度的情况下可以尽量简化一些孔洞，且网格尺寸可以尽量放大，以较少
网格数量。缸体网格如图3所示。
图3 缸体部分网格 图4 子模型选取方法
缸盖网格完成后气门座圈、气门导管以及缸盖螺栓的网格可以根据接触部分的网格进行划
分。由于低周疲劳分析分析步较多，运用整体网格进行计算时计算周期较长，重点关注的区域只
有缸盖燃烧室部分，因此使用子模型方法提取燃烧室部分的网格进行后续的计算，可以节约大量
的时间，子模型选取方法如图4所示。
2 有限元分析结果
低周疲劳分析工况如图5所示，待塑性应变幅稳定后选取最后一个分析循环作为低周疲劳寿
命分析的循环。需要得到全速全负荷工况以及怠速工况下的温度分布，以及相应的应力场分布。
图5 疲劳分析工况
两种工况下的温度场分布以及应力场分布如图6-9所示，从结果可以看出，子模型的结果与
整体模型相一致，运用子模型方法可以在不影响计算精度的前提下大大的缩短计算时间。全速工
况下燃烧室部分最高温度为241℃，位于排气门与排气门之间（EX-EX），靠近气门座圈的位置，
由于进气温度较排气温度低，因此进气门与进气门之间（IN-IN）的温度较低，排气门与进气门
之间（EX-IN）呈现温度由大到小的一个梯度。怠速工况下的温度分布情况与全速工况相似，只
是最高温度为38℃，两种工况在上诉两个特征点上的温度差分别为203℃和192℃，温差较大，
达到200℃左右，大的温度差是引起结构发生低周疲劳断裂的主要因素。[1-5]
图6 全速工况下温度场分布
图8 全速工况下应力场分布
3 低周疲劳分析
图7 怠速工况下温度场分布
图9 怠速工况下应力场分布
在最后一个稳定的循环工况下提取燃烧室部分的温度差、应力幅以及塑性应变幅进行低周疲
劳寿命的计算，如图10-12所示。可以看出在进气门与排气们之间部位的应力幅以及塑性应变幅
较大，重点关注A、B、C、D、E五点的疲劳寿命，计算如表1所示，寿命分布如图13所示。
疲劳寿命最小的位置与应力幅和塑性应变幅较大的区域相一致，可见这两个参数对低周疲劳寿命
影响较大。
图10 温度差分布 图11 应力幅分布
图12 塑性应变幅分布 图13 低周疲劳寿命分布
表1 重点区域的寿命计算
位置
A
B
C
D
E
高温低温
温度差（℃）
（℃） （℃）
210
193
207
237
199
37
37
37
37
36
172
156
170
199
163
应力幅
（MPa）
177
127
184
81
165
塑性应变幅
（-）
3.08E-4
2.05E-6
3.16E-4
5.47E-6
8.21E-5
Nf
54810
＞100000
42470
＞100000
168584
Log10
（Nf）
4.74
8.00
4.63
8.00
5.23
4 结论
有限元的方法可以快速的预测缸盖疲劳寿命比较薄弱的区域，从图14-17的柱状图中可以明
显的看出对疲劳寿命影响较大的参数为应力幅以及塑性应变幅，排气门与排气门之间虽然有较高
的温度差，但由于排气门与进气门之间有较大的应力幅以及塑性应变幅，因此在排气门与进气门
之间的A、C两点的寿命更小。
图14 温度差柱状图 图15 塑性应变幅柱状图
图16 应力幅柱状图 图17 低周疲劳寿命柱状图
参考文献
1. 新矢伸昭。铸铁气缸盖低循环寿命预测方法的开发[J]。国外内燃机，2003，（5）：52-56。
2. 朱小平，刘震涛，俞小莉。热-机耦合条件下气缸盖强度及疲劳寿命分析[J]。机电工程，
2011，28（10）：1176-1179。
3. 刘勤，姬广振，侯新荣等。热固耦合条件下气缸盖结构可靠性设计分析[J]。车用发动机，
2011，（5）：68-71。
4. 邓帮林，刘敬平，杨靖等。某缸盖热机疲劳分析[J]。湖南大学学报，2012，39（2）：30-34。
5. 胡定云，陈泽忠，温世杰等。某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测[J]。车用发动机，2008，
（176）:38-40.
2024年3月25日发(作者：盍华容)
基于ABAQUS的缸盖低周疲劳模拟仿真
路明
（江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）
摘要：对
cofiin-manson
模型进行温度修正，并通过有限元的方法对整机模型进行分析，得到缸
盖的温度场分布以及应力场分布，运用子模型的手段对缸盖燃烧室部分进行进一步的分析，针对
发动机的经典工况设计仿真计算疲劳循环工况，得到燃烧室位置的温度差、应力幅以及塑性应变
幅，进而得到缸盖燃烧室的低周疲劳安全寿命。分析结果表明缸盖达到了低周疲劳的设计要求。
关键词：
ABAQUS
；低周疲劳；有限元；
coffin-manson
模型；子模型
缸盖作为发动机的核心零部件，也是工作环境最恶劣的部件之一。承受着气体燃烧产生的高
温，在高温环境中，缸盖材料的机械性能会有明显的下降。在高低温交替变化，同时又承受循环
的机械载荷，缸盖的燃烧室部分很容易发生低周疲劳失效。
目前对于低周疲劳的分析并没有很好的方法，由于试验方法需要很高的费用且时间较长并不
能得到很好的应用。本文基于修正的coffin-manson模型，运用有限元的方法，并且为了提高计
算速度，使用子模型的方法，得到缸盖的危险部位燃烧室的温度差、应力幅以及塑性应变幅，进
而得到燃烧室的疲劳寿命分布，此方法可以提前预测缸盖的薄弱部位，指导缸盖设计。
1 有限元分析网格要求
缸盖受到的载荷主要为机械载荷和热载荷，其中机械载荷包括缸盖螺栓预紧力、气门座圈和
气门导管过盈安装产生的装配载荷以及缸内爆发压力，同时考虑缸垫的非线性特性，因此整个模
型需要包括缸体、缸盖、气门导管、气门座圈、缸垫和缸盖螺栓。
对缸垫模型进行简化，只保留起主要作用的缸垫筋，缸垫的网格类型选择GK3D12MN，包
括STOPPER部分和GASKET部分，首先STOPPER部分周向为了与缸孔网格一致选择60层网
格，其他部分以STOPPER网格的长度为基础划分，根据模型的情况进行适当调整。缸垫网格如
图1所示。
图1 缸垫网格 图2 缸盖部分网格
缸盖部分是最复杂的一个部件，网格数目占整个模型比例的66.6%。首先缸盖的结构非常复
杂，包括很多特征，而且必须被保留。其次，缸盖部分在后处理中关注的区域较多，并且在前处
理中有很多边界加载区域，这些区域网格要求细密，包括燃烧室、气道、油道以及缸盖水套部分。
第三，在ABAQUS分析时要求各不同部件的接触边界上网格节点一一对应，缸盖是与不同结构
接触最多的部件，包括与气门座圈、气门导管、缸垫以及缸盖螺栓等部件接触。缸盖部分整体网
格如图2所示。
由于缸体在此分析中只起到支撑的作用，作为约束的部分为了减少计算时间，对缸体可以进
行简化处理，在不影响刚度的情况下可以尽量简化一些孔洞，且网格尺寸可以尽量放大，以较少
网格数量。缸体网格如图3所示。
图3 缸体部分网格 图4 子模型选取方法
缸盖网格完成后气门座圈、气门导管以及缸盖螺栓的网格可以根据接触部分的网格进行划
分。由于低周疲劳分析分析步较多，运用整体网格进行计算时计算周期较长，重点关注的区域只
有缸盖燃烧室部分，因此使用子模型方法提取燃烧室部分的网格进行后续的计算，可以节约大量
的时间，子模型选取方法如图4所示。
2 有限元分析结果
低周疲劳分析工况如图5所示，待塑性应变幅稳定后选取最后一个分析循环作为低周疲劳寿
命分析的循环。需要得到全速全负荷工况以及怠速工况下的温度分布，以及相应的应力场分布。
图5 疲劳分析工况
两种工况下的温度场分布以及应力场分布如图6-9所示，从结果可以看出，子模型的结果与
整体模型相一致，运用子模型方法可以在不影响计算精度的前提下大大的缩短计算时间。全速工
况下燃烧室部分最高温度为241℃，位于排气门与排气门之间（EX-EX），靠近气门座圈的位置，
由于进气温度较排气温度低，因此进气门与进气门之间（IN-IN）的温度较低，排气门与进气门
之间（EX-IN）呈现温度由大到小的一个梯度。怠速工况下的温度分布情况与全速工况相似，只
是最高温度为38℃，两种工况在上诉两个特征点上的温度差分别为203℃和192℃，温差较大，
达到200℃左右，大的温度差是引起结构发生低周疲劳断裂的主要因素。[1-5]
图6 全速工况下温度场分布
图8 全速工况下应力场分布
3 低周疲劳分析
图7 怠速工况下温度场分布
图9 怠速工况下应力场分布
在最后一个稳定的循环工况下提取燃烧室部分的温度差、应力幅以及塑性应变幅进行低周疲
劳寿命的计算，如图10-12所示。可以看出在进气门与排气们之间部位的应力幅以及塑性应变幅
较大，重点关注A、B、C、D、E五点的疲劳寿命，计算如表1所示，寿命分布如图13所示。
疲劳寿命最小的位置与应力幅和塑性应变幅较大的区域相一致，可见这两个参数对低周疲劳寿命
影响较大。
图10 温度差分布 图11 应力幅分布
图12 塑性应变幅分布 图13 低周疲劳寿命分布
表1 重点区域的寿命计算
位置
A
B
C
D
E
高温低温
温度差（℃）
（℃） （℃）
210
193
207
237
199
37
37
37
37
36
172
156
170
199
163
应力幅
（MPa）
177
127
184
81
165
塑性应变幅
（-）
3.08E-4
2.05E-6
3.16E-4
5.47E-6
8.21E-5
Nf
54810
＞100000
42470
＞100000
168584
Log10
（Nf）
4.74
8.00
4.63
8.00
5.23
4 结论
有限元的方法可以快速的预测缸盖疲劳寿命比较薄弱的区域，从图14-17的柱状图中可以明
显的看出对疲劳寿命影响较大的参数为应力幅以及塑性应变幅，排气门与排气门之间虽然有较高
的温度差，但由于排气门与进气门之间有较大的应力幅以及塑性应变幅，因此在排气门与进气门
之间的A、C两点的寿命更小。
图14 温度差柱状图 图15 塑性应变幅柱状图
图16 应力幅柱状图 图17 低周疲劳寿命柱状图
参考文献
1. 新矢伸昭。铸铁气缸盖低循环寿命预测方法的开发[J]。国外内燃机，2003，（5）：52-56。
2. 朱小平，刘震涛，俞小莉。热-机耦合条件下气缸盖强度及疲劳寿命分析[J]。机电工程，
2011，28（10）：1176-1179。
3. 刘勤，姬广振，侯新荣等。热固耦合条件下气缸盖结构可靠性设计分析[J]。车用发动机，
2011，（5）：68-71。
4. 邓帮林，刘敬平，杨靖等。某缸盖热机疲劳分析[J]。湖南大学学报，2012，39（2）：30-34。
5. 胡定云，陈泽忠，温世杰等。某柴油机气缸盖疲劳的可靠性预测[J]。车用发动机，2008，
（176）:38-40.