2006年4月潤滑與密封Apr.2006第4期(總第176期)LUBRICATION ENGINEERINONo 4( serial No 176)基于 ANSYS的氣門動力學分析江征風周超丁毓峰武漢理工大學機電工程學院湖北武漢430070)摘要:采用單自由度的質量彈簧振動模型對配氣機構進行動力學特性分析,以排氣門為分析對象,得出氣門落座時的沖擊載荷的曲線。應用 ANSYS有限元分析工具,對該模型進行分析計算,得出氣門在最大沖擊載荷情況下的應力和變形情況等。結果表明,氣門在承受最大落座沖擊力時,在與氣門座接觸的氣門錐面處有最大的應力,具有明顯的應力集中現(xiàn)象。關鍵詞: ANSYS;氣門;動力學模型;氣門落座力中圖分類號:TP391.77文獻標識碼:A文章編號:0254-0150(2006)4-106-3The Dynamics Analysis of Engine Valves Based on ANSYSJiang Zhengfeng Zhou Chao Ding YufengMechanical Department of Wuhan University of Technology Wuhan Hubei 430070 ChinaAbstract By analyzing the kinetic characteristic of the valve mechanism based on the single-mass vibration system thesimplified mechanical model of the valve and its seat was established and the impact load curve added on the exhaustalve was acquired. The stress figure and its value were acquired by using ANSYS when the valve enduring the maximalload. The result shows that the stress in the conoid of valve contacted with the valve seat reachs maximum which is obviously concentratedKeywords ANSYS walve dynamics model impact force of engine valve氣門是發(fā)動機的重要零件之一,它是燃燒室的組進行力學特性分析。成部分,又是氣體進、岀燃燒室的通道。工作時需承1配氣機構動力學模型的建立受較高的杋械負荷和熱負荷,尤其是排氣門,由于經現(xiàn)代高速柴油機一般采用頂置式氣門(如圖1常受到高溫燃氣的沖刷,工作條件更為嚴酷,因而易所示),傳統(tǒng)設計中一般將配氣機構視為剛性系統(tǒng)于產生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象。在汽車發(fā)動機配氣但在實踐中出現(xiàn)了許多不正?，F(xiàn)象。為了方便地得到機構中,氣門氣門座是一對關鍵的摩擦副,該摩擦符合實際的結果,傳統(tǒng)的配氣機構運動學計算往往不副長期在高溫、高負荷及燃氣腐蝕環(huán)境下工作,惡劣足以準確地描述配氣機構各傳動零部件的運動規(guī)律的工作環(huán)境使氣門密封錐面的曆損受氣門落座載荷的因而在進行配氣機構的動力學計算時,必須考慮到彈影響很大,在氣門生產之前最好對其進行力學特性分性變形,本文作者采用單自由度的質量-彈簧振動模析,來測試其使用情況型進行配氣機構的動力學計算,其計算參數(shù)容易確目前除試驗方法觀察機構動態(tài)性能和研究杋構動定,能夠滿足描述氣門運動規(guī)律的要求,計算過程比力學之外,運用力學方法建立配氣機構的力學模型,較簡單3,模型如圖2所示用計算機進行動態(tài)模擬研究已顯示出非常突出的優(yōu)越性。 ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件,為解決這些復雜的工程分析計算問題提供了有效的途徑,能大幅度提高設計和分析的效率2。本文作者針對車用高凵中國煤化主速發(fā)動機頂置凸輪軸式配氣機構提出了比較簡單的有CNMH限元動力學模型,并以 ANSYS軟件作為工具對氣門3推桿4搖臂5氣門6氣門彈簣b收稿日期:2005-05-13作者簡介:江征風(1949—),男,教授,博士生導師,主要研究方向為制適壺蕾趣比、微機電系統(tǒng)和CAE技術圖1頂置式氣門模型圖2單質量動力學模型2006年第4期江征風等:基于 ANSYS的氣門動力學分析107將氣門的運動用一個集中質量M描述(這里M用,本文暫不考慮曆損量,只考慮載荷對氣門錐面上包含有氣門質量以及其它傳動零件換算到氣門處的質的臨界應力的影響。發(fā)動機排氣門工作時,氣門往復量),M的一段通過剛度為c‘的氣門彈簧與氣缸蓋相運動由驅動凸輪輪廓線控制,因此,氣門與氣門座間聯(lián)結,而另一端聯(lián)結一假想的剛度為c的“彈簧的落座沖擊力的載荷特征、凸輪型線的生成速度和加此彈簧的上端由”當量凸輪”直接控制,凸輪的運速度控制氣門落座力,氣門與氣門座間落座沖擊力的動規(guī)律是已知的,本文采用一種5項式(包括常數(shù)般計算公式為4項)的高次方凸輪。b和b則分別表示內阻尼和外F=Mr+cy+Ky+F阻尼。假設作用在集中質量M上的外力之總和為F,式中:F。為氣門彈簧預緊力;M為氣門機構的等效則有質量,主要包括氣門和彈簧質量;C為摩擦阻尼系F=Ma=M數(shù);K為彈簧剛度;Y為氣門升程。將圖3的氣門運轉的位移、速度和加速度的結果代入得到氣門在凸輪式中:α為凸輪旋轉角加速度;ω為凸輪旋轉角速以3種不同的速度運轉下落座沖擊力的曲線,如圖4度所示。外力包括以下幾部分1)配氣機構(彈簧”c)的彈性恢復力c·J,其中J=(a)-a)xa)-a)>00x(a)-y(a)≤0(2)氣門彈簧的彈力-c3a(3)氣門彈簧預緊力-F0(4)氣缸內燃氣對氣門的作用力-F(c(5)外阻尼力-bdy凸輪轉()200020406080100120140160160凸輪轉角/(°)(6)內阻尼力boJ,其中dx dy將以上各力總和代入得dy6204660801002014016180輪轉角(°)Fo+RFCa)圖3氣門位移、速度和加速度曲線上式是一個關于未知數(shù)y(a)的二階非齊次常由曲線可以得到,300系數(shù)線性微分方程,還需要補充給出以下兩個初始條當凸輪轉速為n=20040仿真得到結果,圖3為以E600油機配氣機構為么么國藝件,即在對應于氣門剛剛打開的一瞬間a=a,有r/min時,氣門所受到100的最大載荷,即氣門的5dy落座力F=2636.8凸輪轉角()其中的剛度、阻尼系數(shù)以及集中質量等參數(shù)均可下將針對該簡化圖4氣門落座沖擊力曲線以通過測量或計算得到,對此問題可以用龍格庫塔模型氣門進行有限元〔 Runge-Kuta)法求其數(shù)值解,或者通過計算機模擬V凵中國煤化工CNMHG元分析例代入數(shù)據后求解得到的位移、速度和加速度曲線。刀們俁2落座沖擊力的計算采用 Solid works205建立氣門的分析模型,并國內外進行氣門強化磨損試驗大都采用磨損形式保存為IGS格式的文件類型,然后利用 ANSYS提供和工況相毋費褲行模擬,重點考慮載荷和磨程的作的導入接口將模型導入 ANSYS,提高建模效率。潤滑與密封總第176期3.2設置材料屬性3.6后處理利用通用后處理器可以查看輪廓線顯示、變形形狀,如圖6所示。4結論1)通過建立配氣機構動力學模型,得到氣門在運轉過程中承受的沖擊載荷的曲線;對氣門承受最大沖擊載荷的工況進行有限元分析,得到氣門的應力分布情況。結果表明,氣門在承受最大落座沖擊力時,在與氣門座接觸的氣門錐面處有最大的應力,具有明顯的應力集中現(xiàn)象。圖5模型網格劃分結果(2)本文采用的單自由度模型大體上只能滿足氣門的材料為目前應用最為廣泛的214N鋼,21-·描述氣門運動規(guī)律的要求,且計算比較簡單,不能很4N鋼為奧氏體熱強鋼,有良好的抗氧化性和抗燃氣腐好地反映氣門彈簧振動的影響,必須進一步完善。另蝕性,高溫力學性能較好。它的密度為790kg/m3,外,在分析過程應該考慮交變載荷作用以及氣門由于柏松比ν為0.3,彈性模量E為210GPa,切變模量G熱處理之后引起的材料非線性等因素。為81GPa,室溫下的σ,=885MPa。在進行實體建模參考文獻后,輸入材料特性值時,需引入這些物理量3。【1】柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊:中冊3.3網格劃分[M]北京:中國農業(yè)機械出版社,1984【2】宋勇,艾宴清,梁波等.精通 ANSYS7.0有限元分析.北京:清華大學出版社,2003【3】李建鋒.配氣機構動力學模型的應用研究[D]杭州浙江大學,2004【4】劉佐民,張一兵,王斌球,等.發(fā)動機氣門-氣門座強化曆損模擬試驗杋及其試驗方法研究[J]內燃機工程出m2nm51998,19(2):49-56圖6氣門桿等效應力圖on Reinforced Wear Simulant Tester of Engine valve and valve采用四面體單元 Solid92進行單元劃分,為了節(jié)Seat and its Test Procedure [J ]. Internal Combustion Engi-省分析的時間和效率,采用6級精度來進行劃分,采用 ANSYS的網格劃分工具,自動生成網格,網格化【5】王琳,劉佐民,裴新發(fā)動機氣門三維有限元分析及變形規(guī)后結果如圖5所示律的研究[J]武漢理工大學學報,2002,24(3):33-363.4加載Wang lin, Liu Zuomin, Pei Xing. The Failure Analysis of theEngine Valves By I-DEAS[J]of Wuhan University在氣門與氣門座之間將自由度約束起來,再在氣of Technology, 2002, 24(3)門杄的頭部加上氣門所受的最大沖擊載荷,以及在氣當當當與當當當六當六當六當→言門端面上加上氣體壓力載荷等歡迎訂購《潤滑與密封》光盤版3.5求解表1全部節(jié)點應力值為滿足廣大讀者和企業(yè)的要求,本雜志現(xiàn)瑪紅訂占封》205年度合訂本應力最小值及對-52.380MPa-25.503MPa405 MPa和中國煤化工本,光盤版50元/應的節(jié)點編號CNMH部分2004年光盤應力最大值及對30.062MPa22.693MPa24.147MPa版,40元/張,歡迎訂購應的節(jié)點編號聯(lián)系電話:020-32389823轉3451利用 ANSYS可以求解由有限元方法建立的聯(lián)立傳真:020-32389600方程組,拜搏到表1所示的結果。