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(xué)分析江征風(fēng)周超丁毓峰武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院湖北武漢430070)摘要:采用單自由度的質(zhì)量彈簧振動模型對配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)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(yīng)用 ANSYS有限元分析工具,對該模型進(jìn)行分析計(jì)算,得出氣門在最大沖擊載荷情況下的應(yīng)力和變形情況等。結(jié)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(yīng)力,具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。關(guān)鍵詞: ANSYS;氣門;動力學(xué)模型;氣門落座力中圖分類號:TP391.77文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)的重要零件之一,它是燃燒室的組進(jìn)行力學(xué)特性分析。成部分,又是氣體進(jìn)、岀燃燒室的通道。工作時需承1配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的建立受較高的杋械負(fù)荷和熱負(fù)荷,尤其是排氣門,由于經(jīng)現(xiàn)代高速柴油機(jī)一般采用頂置式氣門(如圖1常受到高溫燃?xì)獾臎_刷,工作條件更為嚴(yán)酷,因而易所示),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般將配氣機(jī)構(gòu)視為剛性系統(tǒng)于產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象。在汽車發(fā)動機(jī)配氣但在實(shí)踐中出現(xiàn)了許多不正?，F(xiàn)象。為了方便地得到機(jī)構(gòu)中,氣門氣門座是一對關(guān)鍵的摩擦副,該摩擦符合實(shí)際的結(jié)果,傳統(tǒng)的配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)計(jì)算往往不副長期在高溫、高負(fù)荷及燃?xì)飧g環(huán)境下工作,惡劣足以準(zhǔn)確地描述配氣機(jī)構(gòu)各傳動零部件的運(yùn)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(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)計(jì)算時,必須考慮到彈影響很大,在氣門生產(chǎn)之前最好對其進(jìn)行力學(xué)特性分性變形,本文作者采用單自由度的質(zhì)量-彈簧振動模析,來測試其使用情況型進(jìn)行配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)計(jì)算,其計(jì)算參數(shù)容易確目前除試驗(yàn)方法觀察機(jī)構(gòu)動態(tài)性能和研究杋構(gòu)動定,能夠滿足描述氣門運(yùn)動規(guī)律的要求,計(jì)算過程比力學(xué)之外,運(yùn)用力學(xué)方法建立配氣機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型,較簡單3,模型如圖2所示用計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jié)構(gòu)、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(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑,能大幅度提高設(shè)計(jì)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(jī)頂置凸輪軸式配氣機(jī)構(gòu)提出了比較簡單的有CNMH限元動力學(xué)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(fēng)(1949—),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橹七m壺蕾趣比、微機(jī)電系統(tǒng)和CAE技術(shù)圖1頂置式氣門模型圖2單質(zhì)量動力學(xué)模型2006年第4期江征風(fēng)等:基于 ANSYS的氣門動力學(xué)分析107將氣門的運(yùn)動用一個集中質(zhì)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(zhì)量以及其它傳動零件換算到氣門處的質(zhì)的臨界應(yīng)力的影響。發(fā)動機(jī)排氣門工作時,氣門往復(fù)量),M的一段通過剛度為c‘的氣門彈簧與氣缸蓋相運(yùn)動由驅(qū)動凸輪輪廓線控制,因此,氣門與氣門座間聯(lián)結(jié),而另一端聯(lián)結(jié)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(dāng)量凸輪”直接控制,凸輪的運(yùn)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(xiàng)式(包括常數(shù)般計(jì)算公式為4項(xiàng))的高次方凸輪。b和b則分別表示內(nèi)阻尼和外F=Mr+cy+Ky+F阻尼。假設(shè)作用在集中質(zhì)量M上的外力之總和為F,式中:F。為氣門彈簧預(yù)緊力;M為氣門機(jī)構(gòu)的等效則有質(zhì)量,主要包括氣門和彈簧質(zhì)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(yùn)轉(zhuǎn)的位移、速度和加速度的結(jié)果代入得到氣門在凸輪式中:α為凸輪旋轉(zhuǎn)角加速度;ω為凸輪旋轉(zhuǎn)角速以3種不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)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(jī)構(gòu)(彈簧”c)的彈性恢復(fù)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(yù)緊力-F0(4)氣缸內(nèi)燃?xì)鈱忾T的作用力-F(c(5)外阻尼力-bdy凸輪轉(zhuǎn)()200020406080100120140160160凸輪轉(zhuǎn)角/(°)(6)內(nèi)阻尼力boJ,其中dx dy將以上各力總和代入得dy6204660801002014016180輪轉(zhuǎn)角(°)Fo+RFCa)圖3氣門位移、速度和加速度曲線上式是一個關(guān)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(bǔ)充給出以下兩個初始條當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為n=20040仿真得到結(jié)果,圖3為以E600油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)為么么國藝件,即在對應(yīng)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(zhuǎn)角()其中的剛度、阻尼系數(shù)以及集中質(zhì)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(jì)算得到,對此問題可以用龍格庫塔模型氣門進(jìn)行有限元〔 Runge-Kuta)法求其數(shù)值解,或者通過計(jì)算機(jī)模擬V凵中國煤化工CNMHG元分析例代入數(shù)據(jù)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(jì)算采用 Solid works205建立氣門的分析模型,并國內(nèi)外進(jìn)行氣門強(qiáng)化磨損試驗(yàn)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(fèi)褲行模擬,重點(diǎn)考慮載荷和磨程的作的導(dǎo)入接口將模型導(dǎo)入 ANSYS,提高建模效率。潤滑與密封總第176期3.2設(shè)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(jié)論1)通過建立配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型,得到氣門在運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)行有限元分析,得到氣門的應(yīng)力分布情況。結(jié)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(yīng)力,具有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。圖5模型網(wǎng)格劃分結(jié)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(yīng)用最為廣泛的214N鋼,21-·描述氣門運(yùn)動規(guī)律的要求,且計(jì)算比較簡單,不能很4N鋼為奧氏體熱強(qiáng)鋼,有良好的抗氧化性和抗燃?xì)飧玫胤从硽忾T彈簧振動的影響,必須進(jìn)一步完善。另蝕性,高溫力學(xué)性能較好。它的密度為790kg/m3,外,在分析過程應(yīng)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(jìn)行實(shí)體建模參考文獻(xiàn)后,輸入材料特性值時,需引入這些物理量3?！?】柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編輯委員會.柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊:中冊3.3網(wǎng)格劃分[M]北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)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(xué)出版社,2003【3】李建鋒.配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型的應(yīng)用研究[D]杭州浙江大學(xué),2004【4】劉佐民,張一兵,王斌球,等.發(fā)動機(jī)氣門-氣門座強(qiáng)化曆損模擬試驗(yàn)杋及其試驗(yàn)方法研究[J]內(nèi)燃機(jī)工程出m2nm51998,19(2):49-56圖6氣門桿等效應(yīng)力圖on Reinforced Wear Simulant Tester of Engine valve and valve采用四面體單元 Solid92進(jìn)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(jìn)行劃分,采用 ANSYS的網(wǎng)格劃分工具,自動生成網(wǎng)格,網(wǎng)格化【5】王琳,劉佐民,裴新發(fā)動機(jī)氣門三維有限元分析及變形規(guī)后結(jié)果如圖5所示律的研究[J]武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),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(dāng)當(dāng)當(dāng)與當(dāng)當(dāng)當(dāng)六當(dāng)六當(dāng)六當(dāng)→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(diǎn)應(yīng)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(yīng)力最小值及對-52.380MPa-25.503MPa405 MPa和中國煤化工本,光盤版50元/應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號CNMH部分2004年光盤應(yīng)力最大值及對30.062MPa22.693MPa24.147MPa版,40元/張,歡迎訂購應(yīng)的節(jié)點(diǎn)編號聯(lián)系電話:020-32389823轉(zhuǎn)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(jié)果。