基于ANSYS的發動機氣門熱—應力耦合分析

2013-12-31 00:00:00王景李永飚

科技創新與應用 2013年34期

摘要：文章利用ANSYS軟件的APDL命令流對氣門進行建模，并對其進行熱-應力耦合分析，研究氣門在高溫高壓狀態下的應力分布情況，結果表明：氣門盤部和過渡圓弧位置應力最大，并以實際案例證明了分析結果的正確性，研究結果可為氣門的結構優化和疲勞壽命分析提供理論依據。

關鍵詞：氣門；ANSYS；熱-應力耦合

引言

發動機工作的時候，在氣缸體、氣缸蓋、活塞和氣門等組成的密閉環境中，可燃性氣體不斷地進行燃燒，使這些零件都處于高溫、高壓的工作環境中，除此之外還受到燃氣腐蝕的作用，工況條件十分惡劣，特別是在發動機進氣和壓縮行程中承擔著換氣功能的進氣門和排氣門。氣門在工作過程中，不僅受到高速頻繁的落座沖擊作用、氣缸內部燃氣燃燒產生的熱應力和交變的拉壓應力等作用，還受到高速燃氣沖刷和高溫氣體腐蝕的作用，除此之外，由于氣門材料導熱系數較小以及冷卻條件不好，所以積存在氣門上的熱量很難散發出去，從而使氣門溫度上升。在密閉燃燒空間工作的零件中，氣門的溫度最高，一般情況下，進氣門工作溫度為200～450℃，排氣門工作溫度為600～800℃，有的甚至能達到850～900℃[1]。通常，許多材料的很多性能都會因受到高溫作用而發生變化，如機械性能下降，產生蠕變等等。氣門在工作過程中，除了受到上述的高溫作用之外，還要承受氣缸內燃氣燃燒時產生的高壓作用。

耦合場分析是指在有限元分析的過程中考慮兩種或者兩種以上工程學科的交叉作用和相互影響，常用的耦合場分析包括：熱-應力耦合分析，熱-電耦合分析，流體-結構耦合分析等[2]。耦合場分析方法有兩種：直接耦合分析法（是運用包括所有必須自由度的耦合單元類型，只通過一次求解就能夠得到耦合場的分析結果，主要用于多個物理場的響應相互依賴的情況）和間接耦合分析法（按照一定的順序求解兩個或多個物理場的分析，它能把第一次場分析的結果作為載荷施加到下一次場的分析中）[2]。在很多工程實踐中，采用ANSYS進行分析時，熱分析得到的結果對結構分析有著很大的影響，但結構分析的結果對熱分析的影響卻不理想，所以一般情況下采用間接耦合分析法來進行熱-應力耦合分析。在對氣門進行分析時，本文采用間接耦合分析法：先進行熱分析，得出每個節點的溫度，然后將這些節點溫度作為載荷施加到結構分析中，從而完成對發動機氣門的熱-應力耦合分析。

1 氣門熱-應力耦合分析過程

1.1 分析步驟

對氣門進行熱-應力耦合分析步驟如圖1所示：

圖1 氣門熱-應力耦合分析步驟

1.2 氣門建模與網格劃分

氣門在建模之前，需要根據實際情況進行單元類型的選擇，基于氣門是軸對稱結構，為了使分析結果準確，采用二次單元Solid90和Solid95。在ANSYS中建模有兩種方法：自頂向下建模，自底向上建模。自頂向下建模是指從較高級的實體圖元開始構建模型，并能從高級圖元自動生成較低級的圖元[3]；自底向上建模是指從較低級圖元開始，生成較高級的圖元。在氣門分析中，本文采用自底向上建模方法，運用APDL命令流對氣門進行建模，部分命令流如下所示：

m_Rc=0.006000

m_GARMA=1.500000

m_BETA=25.000000

/FILENAME，VALVE

/PREP7

IX=（0.012440+m_Rc/sin（3.141593*m_BETA/180）-（0.011073-0.002960）*tan（3.141593*m_GARMA/180）-0.006150/2-m_Rc/cos（3.141593*m_GARMA/180））/（tan（3.141593*（180-m_GARMA）/180）-tan（3.141593*（90+m_BETA）/180））

IY=（0.012440+m_Rc/sin（3.141593*m_BETA/180））+tan（3.141593*（90+m_BETA）/180）*IX

G2X=IX-m_Rc*sin（3.141593*m_GARMA/180）

G2Y=IY-m_Rc*cos（3.141593*m_GARMA/180）

HX=IX-m_Rc*cos（3.141593*m_BETA/180）

HY=IY-m_Rc*sin（3.141593*m_BETA/180）

…

氣門建模完成之后，接下來要進行網格劃分，基于氣門結構對稱的特點，采用粗糙程度為6的自由網格劃分方式對氣門進行劃分，結果如圖2所示[4]。

圖2 有限元網格劃分圖

1.3 載荷與邊界條件的施加

（1）氣門材料參數的選擇。本文以工作條件比較惡劣的排氣門（盤部有凹槽）為研究對象，根據對氣門材料的分析，取氣門材料為21-4N鋼，該氣門材料的性能參數為：密度7833 kg/m3，彈性模量210 GPa，比熱448 J/（kg·K），熱傳導系數25.96，泊松比0.3。

（2）邊界條件的選擇。本文對氣門的1/4進行分析，需要對其施加對稱約束。假設氣門盤部在落座時處于理想的彈性狀態，氣門落座時受到氣門座圈對它的作用，所以要對氣門和氣門座圈之間施加Y方向（軸向）的約束，在氣門鎖夾槽和鎖夾位置，因為氣門鎖夾是將氣門彈簧座和氣門桿鎖住，使氣門能夠沿Y方向上下運動，所以要對接觸面施加X、Z方向（徑向）的約束。

對氣門進行熱-應力耦合分析的時候，在熱分析的過程中，需要對氣門施加溫度邊界條件，由于氣門工作時，氣門各個部分溫度不同，所以需要對氣門施加非線性溫度載荷，如圖3所示。

圖3 表面溫度分布圖

（3）工況條件的選擇。氣門在落座的時候承受了很大的沖擊載荷，根據實踐結果，取氣門落座力為P1=1195N，氣門受到氣缸內部的壓力取為P2=11MPa。由于氣門鎖夾與鎖夾槽接觸并非完全接觸，根據實踐，將接觸比例因子設定為0.4，即實際接觸面積為整個鎖夾槽曲面的0.4倍，預緊力就均布在這0.4倍的曲面上，為P3=430/4N。

1.4 氣門熱-應力耦合分析

氣門溫度載荷施加后，就可對其進行熱分析，接下來要指定分析類型，本文采用瞬態分析，使用完全法進行求解，與單元相關的質量矩陣公式進行計算，指定載荷步為階躍的方式，設置時間步長和載荷步結束的時間，并將每個子步所有的內容都寫到數據庫中（除了SVAR和LOCI記錄的），然后點擊SOLVE進行求解[5]。根據有限元間接分析法的步驟，要先刪除實體模型上的熱載荷，然后才能進行結構分析，通過轉換分析單元（將熱單元轉換為相應的結構單元），并重新定義材料屬性和邊界條件，最后進行求解計算。

1.5 計算分析結果

通過ANSYS的后處理，可以查看氣門熱-應力耦合分析結果如下：

圖4 氣門等效應力分布云圖

圖4為氣門等效應力分布云圖，從圖中可以看出氣門分析結果中的最大應力出現在氣門盤部，所以有必要對氣門盤部應力變化規律做詳細的分析。

圖5 氣門盤部表面沿徑向應力分布圖

圖5為氣門盤部沿徑向應力分布圖， X軸為徑向方向，Y軸為等效應力。由圖可知：在凹槽邊緣部分應力變化非常明顯；在接近氣門盤部邊緣的位置，應力發生了一次明顯的突變，這是因為在該位置受到落座力的作用；在氣門盤部邊緣位置，應力達到最小。

圖6 氣門表面沿軸向應力曲線圖

圖6為氣門表面沿軸向應力曲線圖，可以明顯的看到：在氣門盤部過渡圓弧位置和氣門桿鎖夾槽位置都發生了顯著的應力突變，氣門桿中間應力基本上沒有發生變化，從這里可以看出：在氣門盤部的過渡圓弧位置是很容易發生疲勞失效的，對該位置進行應力分析是有必要的。

2 結束語

通過運用APDL命令流對氣門進行建模、劃分網格、施加載荷等，然后對其進行了熱-應力耦合分析，得出氣門在工作過程中最大應力出現在氣門盤部，而氣門的過渡圓弧位置也容易產生疲勞失效，通過對氣門盤部和桿部的應力分布情況，可以為氣門結構優化和疲勞壽命分析提供理論依據。

參考文獻

[1]王文修.氣門失效外部原因的探討[J].內燃機配件，2000，（06）：22-23.