铝合金材料由于具有良好的铸造性能以及导热性好、密度低、比强度高等优点,在内燃机气缸盖的制造中得到了广泛的应用。而气缸盖是内燃机中结构最复杂、热负荷最高的零部件之一。目前随着对内燃机产品设计精度要求的提高以及涡轮增压、轻量化设计等技术的引入,气缸盖的低周疲劳失效问题越来越严重。气缸盖的主要低周疲劳载荷为低频热应力载荷,且在工作中还持续受到高温压应力的作用从而产生压缩蠕变损伤。低周疲劳损伤与压缩蠕变损伤共同决定了气缸盖的循环寿命。本文针对内燃机气缸盖在启停工况下产生的低周疲劳失效问题,从材料性能试验测试、寿命预测理论分析以及气缸盖数值仿真模拟三个层面对其进行了研究。主要目的在于对铸造铝合金气缸盖的低周疲劳寿命进行准确的计算评估,形成其寿命评估方法以及获得相关参数。因此,本文首先对铸造铝合金材料在高温下的压缩蠕变特性以及低周疲劳特性进行了试验研究,得到了材料高温下的压缩蠕变与低周疲劳性能,并借助疲劳断口分析方法,探究了材料在高温压缩蠕变载荷与疲劳载荷下的损伤破坏机理与断裂模式;基于能量法则以及损伤力学的分析方法建立了材料的压缩蠕变-疲劳寿命预测模型并获得了相关参数。最终对内燃机铝合金气缸盖在典型低周疲劳载荷工况(启停循环)下的疲劳寿命做出了准确的计算评估,探究了带碗型燃烧室的气缸盖的静态载荷以及其低周疲劳寿命分布特征。论文的主要研究内容和结论为:(1)铸造铝合金材料的高温压缩蠕变特性及其损伤机理的试验研究设计并展开了材料的高温压缩蠕变试验研究,结果表明在相同的温度下,铸造铝合金在恒定的拉伸/压缩载荷作用下的稳态蠕变速率存在一定的差异,而且差别随着应力的增大而增大。其主要原因是拉、压应力下孔洞和裂纹等微观损伤的数量以及发展形式不同。具体的机理为,高温下压蠕变作用能够抑制已有空洞和微裂纹演化,并且这些微观损伤在受压缩蠕变载荷时仍然具备一定的压应力承载能力,因此材料的拉压蠕变速率存在较大差别。(2)铸造铝合金材料高温低周疲劳以及压蠕变-疲劳响应特性及其损伤机理试验研究展开了铸造铝合金材料高温下的低周疲劳试验以及压蠕变-疲劳试验研究,结果显示高温容易导致铸造铝合金材料在循环载荷下呈现出持续软化的特征,而且循环软化速率着温度的升高而急剧增加。而在疲劳载荷循环中耦合了压缩蠕变载荷后,材料的持续循环软化现象得到了一定的缓解,压缩蠕变应变有助于高温下材料的循环稳定。此外,压缩蠕变不会对材料的循环硬化规律产生影响,但会导致致材料循环响应的屈服中心以及循环应力-应变曲线上移。高温下,材料在疲劳载荷以及蠕变-疲劳载荷下的断裂模式为,共晶硅颗粒首先发生破裂,形成许多微小的裂纹或者空洞。然后这些微小的裂纹在铝基体中扩展并与相邻的裂纹相互连接导致断裂,并在最终断裂时形成许多细小的韧窝组织和撕裂棱。(3)材料的蠕变-疲劳寿命预测模型研究基于能量法则以及损伤力学的分析方法建立了铸造铝合金低周疲劳与压蠕变-疲劳寿命预测模型,并基于试验结果拟合了相关模型参数,该模型的理论计算结果与铸造铝合金的试验结果吻合较好。(4)内燃机铸造铝合金气缸盖低周热疲劳寿命计算评估针对内燃机气缸盖在启停工况下的低周疲劳载荷特点,提出了其低周疲劳寿命计算分析方法。对某型四缸机联体式并带碗型燃烧室的气缸盖的热载荷以及低周疲劳寿命进行了计算评估,结果显示第二缸和第三缸比第一缸和第四缸所受到的低周热载荷要大,其中第三缸所受应力载荷最大。各缸火力面疲劳寿命最低区域位于排气门边缘区域,其中气缸盖第三缸的疲劳寿命最低,其能够承受的最大启停次数为7354循环。