基于A(yíng)NSYS的氣門(mén)動(dòng)力學(xué)分析

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(mén)動(dòng)力學(xué)分析江征風(fēng)周超丁毓峰武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院湖北武漢430070)摘要:采用單自由度的質(zhì)量彈簧振動(dòng)模型對配氣機構進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析,以排氣門(mén)為分析對象,得出氣門(mén)落座時(shí)的沖擊載荷的曲線(xiàn)。應用 ANSYS有限元分析工具,對該模型進(jìn)行分析計算,得出氣門(mén)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(mén)在承受最大落座沖擊力時(shí),在與氣門(mén)座接觸的氣門(mén)錐面處有最大的應力,具有明顯的應力集中現象。關(guān)鍵詞: ANSYS;氣門(mén);動(dòng)力學(xué)模型;氣門(mén)落座力中圖分類(lèi)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(mén)是發(fā)動(dòng)機的重要零件之一,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(shí)需承1配氣機構動(dòng)力學(xué)模型的建立受較高的杋械負荷和熱負荷,尤其是排氣門(mén),由于經(jīng)現代高速柴油機一般采用頂置式氣門(mén)(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),傳統設計中一般將配氣機構視為剛性系統于產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現象。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機配氣但在實(shí)踐中出現了許多不正?，F象。為了方便地得到機構中,氣門(mén)氣門(mén)座是一對關(guān)鍵的摩擦副,該摩擦符合實(shí)際的結果,傳統的配氣機構運動(dòng)學(xué)計算往往不副長(cháng)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(dòng)零部件的運動(dòng)規律的工作環(huán)境使氣門(mén)密封錐面的曆損受氣門(mén)落座載荷的因而在進(jìn)行配氣機構的動(dòng)力學(xué)計算時(shí),必須考慮到彈影響很大,在氣門(mén)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(dòng)模析,來(lái)測試其使用情況型進(jìn)行配氣機構的動(dòng)力學(xué)計算,其計算參數容易確目前除試驗方法觀(guān)察機構動(dòng)態(tài)性能和研究杋構動(dòng)定,能夠滿(mǎn)足描述氣門(mén)運動(dòng)規律的要求,計算過(guò)程比力學(xué)之外,運用力學(xué)方法建立配氣機構的力學(xué)模型,較簡(jiǎn)單3,模型如圖2所示用計算機進(jìn)行動(dòng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(wèn)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(chē)用高凵中國煤化主速發(fā)動(dòng)機頂置凸輪軸式配氣機構提出了比較簡(jiǎn)單的有CNMH限元動(dòng)力學(xué)模型,并以 ANSYS軟件作為工具對氣門(mén)3推桿4搖臂5氣門(mén)6氣門(mén)彈簣b收稿日期:2005-05-13作者簡(jiǎn)介:江征風(fēng)(1949—),男,教授,博士生導師,主要研究方向為制適壺蕾趣比、微機電系統和CAE技術(shù)圖1頂置式氣門(mén)模型圖2單質(zhì)量動(dòng)力學(xué)模型2006年第4期江征風(fēng)等:基于 ANSYS的氣門(mén)動(dòng)力學(xué)分析107將氣門(mén)的運動(dòng)用一個(gè)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(mén)錐面上包含有氣門(mén)質(zhì)量以及其它傳動(dòng)零件換算到氣門(mén)處的質(zhì)的臨界應力的影響。發(fā)動(dòng)機排氣門(mén)工作時(shí),氣門(mén)往復量),M的一段通過(guò)剛度為c‘的氣門(mén)彈簧與氣缸蓋相運動(dòng)由驅動(dòng)凸輪輪廓線(xiàn)控制,因此,氣門(mén)與氣門(mén)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(xiàn)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(mén)落座力,氣門(mén)與氣門(mén)座間落座沖擊力的動(dòng)規律是已知的,本文采用一種5項式(包括常數般計算公式為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(zhì)量M上的外力之總和為F,式中:F。為氣門(mén)彈簧預緊力;M為氣門(mén)機構的等效則有質(zhì)量,主要包括氣門(mén)和彈簧質(zhì)量;C為摩擦阻尼系F=Ma=M數;K為彈簧剛度;Y為氣門(mén)升程。將圖3的氣門(mén)運轉的位移、速度和加速度的結果代入得到氣門(mén)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(xiàn),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(mén)彈簧的彈力-c3a(3)氣門(mén)彈簧預緊力-F0(4)氣缸內燃氣對氣門(mén)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(mén)位移、速度和加速度曲線(xiàn)上式是一個(gè)關(guān)于未知數y(a)的二階非齊次常由曲線(xiàn)可以得到,300系數線(xiàn)性微分方程,還需要補充給出以下兩個(gè)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(mén)剛剛打開(kāi)的一瞬間a=a,有r/min時(shí),氣門(mén)所受到100的最大載荷,即氣門(mén)的5dy落座力F=2636.8凸輪轉角()其中的剛度、阻尼系數以及集中質(zhì)量等參數均可下將針對該簡(jiǎn)化圖4氣門(mén)落座沖擊力曲線(xiàn)以通過(guò)測量或計算得到,對此問(wèn)題可以用龍格庫塔模型氣門(mén)進(jìn)行有限元〔 Runge-Kuta)法求其數值解,或者通過(guò)計算機模擬V凵中國煤化工CNMHG元分析例代入數據后求解得到的位移、速度和加速度曲線(xiàn)。刀們俁2落座沖擊力的計算采用 Solid works205建立氣門(mén)的分析模型,并國內外進(jìn)行氣門(mén)強化磨損試驗大都采用磨損形式保存為IGS格式的文件類(lèi)型,然后利用 ANSYS提供和工況相毋費褲行模擬,重點(diǎn)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(xiàn)顯示、變形形狀,如圖6所示。4結論1)通過(guò)建立配氣機構動(dòng)力學(xué)模型,得到氣門(mén)在運轉過(guò)程中承受的沖擊載荷的曲線(xiàn);對氣門(mén)承受最大沖擊載荷的工況進(jìn)行有限元分析,得到氣門(mén)的應力分布情況。結果表明,氣門(mén)在承受最大落座沖擊力時(shí),在與氣門(mén)座接觸的氣門(mén)錐面處有最大的應力,具有明顯的應力集中現象。圖5模型網(wǎng)格劃分結果(2)本文采用的單自由度模型大體上只能滿(mǎn)足氣門(mén)的材料為目前應用最為廣泛的214N鋼,21-·描述氣門(mén)運動(dòng)規律的要求,且計算比較簡(jiǎn)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(mén)彈簧振動(dòng)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(guò)程應該考慮交變載荷作用以及氣門(mén)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(xiàn)性等因素。為81GPa,室溫下的σ,=885MPa。在進(jìn)行實(shí)體建模參考文獻后,輸入材料特性值時(shí),需引入這些物理量3?！?】柴油機設計手冊編輯委員會(huì ).柴油機設計手冊:中冊3.3網(wǎng)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(xué)出版社,2003【3】李建鋒.配氣機構動(dòng)力學(xué)模型的應用研究[D]杭州浙江大學(xué),2004【4】劉佐民,張一兵,王斌球,等.發(fā)動(dòng)機氣門(mén)-氣門(mén)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(mén)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(jìn)行單元劃分,為了節Seat and its Test Procedure [J ]. Internal Combustion Engi-省分析的時(shí)間和效率,采用6級精度來(lái)進(jìn)行劃分,采用 ANSYS的網(wǎng)格劃分工具,自動(dòng)生成網(wǎng)格,網(wǎng)格化【5】王琳,劉佐民,裴新發(fā)動(dòng)機氣門(mén)三維有限元分析及變形規后結果如圖5所示律的研究[J]武漢理工大學(xué)學(xué)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(mén)與氣門(mén)座之間將自由度約束起來(lái),再在氣of Technology, 2002, 24(3)門(mén)杄的頭部加上氣門(mén)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(mén)端面上加上氣體壓力載荷等歡迎訂購《潤滑與密封》光盤(pán)版3.5求解表1全部節點(diǎn)應力值為滿(mǎn)足廣大讀者和企業(yè)的要求,本雜志現瑪紅訂占封》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(pán)版50元/應的節點(diǎn)編號CNMH部分2004年光盤(pán)應力最大值及對30.062MPa22.693MPa24.147MPa版,40元/張,歡迎訂購應的節點(diǎn)編號聯(lián)系電話(huà):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。