基于ANSYS的气门动力学分析

2006年4月润滑与密封Apr.2006第4期(总第176期)LUBRICATION ENGINEERINONo 4( serial No 176)基于 ANSYS的气门动力学分析江征风周超丁毓峰武汉理工大学机电工程学院湖北武汉430070)摘要:采用单自由度的质量弹簧振动模型对配气机构进行动力学特性分析,以排气门为分析对象,得出气门落座时的冲击载荷的曲线。应用 ANSYS有限元分析工具,对该模型进行分析计算,得出气门在最大冲击载荷情况下的应力和变形情况等。结果表明,气门在承受最大落座冲击力时,在与气门座接触的气门锥面处有最大的应力,具有明显的应力集中现象。关键词: ANSYS;气门;动力学模型;气门落座力中图分类号:TP391.77文献标识码:A文章编号: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气门是发动机的重要零件之一,它是燃烧室的组进行力学特性分析。成部分,又是气体进、岀燃烧室的通道。工作时需承1配气机构动力学模型的建立受较高的杋械负荷和热负荷,尤其是排气门,由于经现代高速柴油机一般采用顶置式气门(如图1常受到高温燃气的冲刷,工作条件更为严酷,因而易所示),传统设计中一般将配气机构视为刚性系统于产生漏气、腐蚀与烧损等现象。在汽车发动机配气但在实践中出现了许多不正常现象。为了方便地得到机构中,气门气门座是一对关键的摩擦副,该摩擦符合实际的结果,传统的配气机构运动学计算往往不副长期在高温、高负荷及燃气腐蚀环境下工作,恶劣足以准确地描述配气机构各传动零部件的运动规律的工作环境使气门密封锥面的曆损受气门落座载荷的因而在进行配气机构的动力学计算时,必须考虑到弹影响很大,在气门生产之前最好对其进行力学特性分性变形,本文作者采用单自由度的质量-弹簧振动模析,来测试其使用情况型进行配气机构的动力学计算,其计算参数容易确目前除试验方法观察机构动态性能和研究杋构动定,能够满足描述气门运动规律的要求,计算过程比力学之外,运用力学方法建立配气机构的力学模型,较简单3,模型如图2所示用计算机进行动态模拟研究已显示出非常突出的优越性。 ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径,能大幅度提高设计和分析的效率2。本文作者针对车用高凵中国煤化主速发动机顶置凸轮轴式配气机构提出了比较简单的有CNMH限元动力学模型,并以 ANSYS软件作为工具对气门3推杆4摇臂5气门6气门弹簣b收稿日期:2005-05-13作者简介:江征风(1949—),男,教授,博士生导师,主要研究方向为制适壶蕾趣比、微机电系统和CAE技术图1顶置式气门模型图2单质量动力学模型2006年第4期江征风等:基于 ANSYS的气门动力学分析107将气门的运动用一个集中质量M描述(这里M用,本文暂不考虑曆损量,只考虑载荷对气门锥面上包含有气门质量以及其它传动零件换算到气门处的质的临界应力的影响。发动机排气门工作时,气门往复量),M的一段通过刚度为c‘的气门弹簧与气缸盖相运动由驱动凸轮轮廓线控制,因此,气门与气门座间联结,而另一端联结一假想的刚度为c的“弹簧的落座冲击力的载荷特征、凸轮型线的生成速度和加此弹簧的上端由”当量凸轮”直接控制,凸轮的运速度控制气门落座力,气门与气门座间落座冲击力的动规律是已知的,本文采用一种5项式(包括常数般计算公式为4项)的高次方凸轮。b和b则分别表示内阻尼和外F=Mr+cy+Ky+F阻尼。假设作用在集中质量M上的外力之总和为F,式中:F。为气门弹簧预紧力;M为气门机构的等效则有质量,主要包括气门和弹簧质量;C为摩擦阻尼系F=Ma=M数;K为弹簧刚度;Y为气门升程。将图3的气门运转的位移、速度和加速度的结果代入得到气门在凸轮式中:α为凸轮旋转角加速度;ω为凸轮旋转角速以3种不同的速度运转下落座冲击力的曲线,如图4度所示。外力包括以下几部分1)配气机构(弹簧”c)的弹性恢复力c·J,其中J=(a)-a)xa)-a)>00x(a)-y(a)≤0(2)气门弹簧的弹力-c3a(3)气门弹簧预紧力-F0(4)气缸内燃气对气门的作用力-F(c(5)外阻尼力-bdy凸轮转()200020406080100120140160160凸轮转角/(°)(6)内阻尼力boJ,其中dx dy将以上各力总和代入得dy6204660801002014016180轮转角(°)Fo+RFCa)图3气门位移、速度和加速度曲线上式是一个关于未知数y(a)的二阶非齐次常由曲线可以得到,300系数线性微分方程,还需要补充给出以下两个初始条当凸轮转速为n=20040仿真得到结果,图3为以E600油机配气机构为么么國艺件,即在对应于气门刚刚打开的一瞬间a=a,有r/min时,气门所受到100的最大载荷,即气门的5dy落座力F=2636.8凸轮转角()其中的刚度、阻尼系数以及集中质量等参数均可下将针对该简化图4气门落座冲击力曲线以通过测量或计算得到,对此问题可以用龙格库塔模型气门进行有限元〔 Runge-Kuta)法求其数值解,或者通过计算机模拟V凵中国煤化工CNMHG元分析例代入数据后求解得到的位移、速度和加速度曲线。刀们俣2落座冲击力的计算采用 Solid works205建立气门的分析模型,并国内外进行气门强化磨损试验大都采用磨损形式保存为IGS格式的文件类型,然后利用 ANSYS提供和工况相毋费裤行模拟,重点考虑载荷和磨程的作的导入接口将模型导入 ANSYS,提高建模效率。润滑与密封总第176期3.2设置材料属性3.6后处理利用通用后处理器可以查看轮廓线显示、变形形状,如图6所示。4结论1)通过建立配气机构动力学模型,得到气门在运转过程中承受的冲击载荷的曲线;对气门承受最大冲击载荷的工况进行有限元分析,得到气门的应力分布情况。结果表明,气门在承受最大落座冲击力时,在与气门座接触的气门锥面处有最大的应力,具有明显的应力集中现象。图5模型网格划分结果(2)本文采用的单自由度模型大体上只能满足气门的材料为目前应用最为广泛的214N钢,21-·描述气门运动规律的要求,且计算比较简单,不能很4N钢为奥氏体热强钢,有良好的抗氧化性和抗燃气腐好地反映气门弹簧振动的影响,必须进一步完善。另蚀性,高温力学性能较好。它的密度为790kg/m3,外,在分析过程应该考虑交变载荷作用以及气门由于柏松比ν为0.3,弹性模量E为210GPa,切变模量G热处理之后引起的材料非线性等因素。为81GPa,室温下的σ,=885MPa。在进行实体建模参考文献后,输入材料特性值时,需引入这些物理量3。【1】柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册:中册3.3网格划分[M]北京:中国农业机械出版社,1984【2】宋勇,艾宴清,梁波等.精通 ANSYS7.0有限元分析.北京:清华大学出版社,2003【3】李建锋.配气机构动力学模型的应用研究[D]杭州浙江大学,2004【4】刘佐民,张一兵,王斌球,等.发动机气门-气门座强化曆损模拟试验杋及其试验方法研究[J]内燃机工程出m2nm51998,19(2):49-56图6气门杆等效应力图on Reinforced Wear Simulant Tester of Engine valve and valve采用四面体单元 Solid92进行单元划分,为了节Seat and its Test Procedure [J ]. Internal Combustion Engi-省分析的时间和效率,采用6级精度来进行划分,采用 ANSYS的网格划分工具,自动生成网格,网格化【5】王琳,刘佐民,裴新发动机气门三维有限元分析及变形规后结果如图5所示律的研究[J]武汉理工大学学报,2002,24(3):33-363.4加载Wang lin, Liu Zuomin, Pei Xing. The Failure Analysis of theEngine Valves By I-DEAS[J]of Wuhan University在气门与气门座之间将自由度约束起来,再在气of Technology, 2002, 24(3)门杄的头部加上气门所受的最大冲击载荷,以及在气当当当与当当当六当六当六当→言门端面上加上气体压力载荷等欢迎订购《润滑与密封》光盘版3.5求解表1全部节点应力值为满足广大读者和企业的要求,本杂志现玛紅订占封》205年度合订本应力最小值及对-52.380MPa-25.503MPa405 MPa和中国煤化工本,光盘版50元/应的节点编号CNMH部分2004年光盘应力最大值及对30.062MPa22.693MPa24.147MPa版,40元/张,欢迎订购应的节点编号联系电话:020-32389823转3451利用 ANSYS可以求解由有限元方法建立的联立传真:020-32389600方程组,拜搏到表1所示的结果。