基于ANSYS的发动机气门热一应力耦合分析

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科技创新与应用 I 2013年第34期 科技 创 新／PREP7IX ：f0．012440+m Rdsin f3．141593 m BETA／180)一fo-01 1073—0．002960)*tan f3．141593 m GARMA／180) -0．006150 -m Rdcosf3．141593"m GARMA／180)／(tan f3．141593*(180-m GARMA)／18o1-tan．141593*(9O+m BETA)／1801IY= 【)12440+m
— Rc／sin(3．141593*m_BETA／18O)+tan(3．141593*(90+m BETA)／18o) IXG2X=IX-m Rc*sin(3．141593 m GARMA／180)G2Y=IY-m Rc*cos(3．141593 m GARMA，180)HX=IX-m Re*cos(3．141593 m BETMl8o)HY=IY-m Rc*sin(3．141593 m BETA／180)气门建模完成之后，接下来要进行网格划分，基于气门结构对称的特点，采用粗糙程度为6的自由网格划分方式对气门进行划分，结果如图 2所示H。

图2有限元网格划分图1_3载荷与边界条件的施加f1忾 门材料参数的选择。本文以工作条件比较恶劣的排气门(盘部有凹槽)为研究对象，根据对气门材料的分析，取气门材料为21-4N钢，该气门材料的性能参数为：密度 7833 k s，弹性模量 210 GPa，比热448 J／(kg·K)，热传导系数25．96，泊松比0．3。

f21边界条件的选择。本文对气门的 1，4进行分析，需要对其施加对称约束。假设气门盘部在落座时处于理想的弹胜状态，气门落座时受到气门座圈对它的作用，所以要对气门和气门座圈之间施加Y方向 (轴向)的约束，在气门锁夹槽和锁夹位置，因为气门锁夹是将气门弹簧座和气门杆锁住，使气门能够沿 Y方向上下运动，所以要对接触面施加x、z方向(径向)的约束。

对气门进行热一应力耦合分析的时候，在热分析的过程中，需要对气门施加温度边界条件，由于气门工作时，气门各个部分温度不同，所以需要对气门施加非线性温度载荷，如图3所示。

， ， =三 ==：图3表面温度分布图f3)工况条件的选择。气门在落座的时候承受了很大的冲击载荷，根据实践结果，取气门落座力为P1=1 195N，气门受到气缸内部的压力取为PFl1MPa。由于气门锁夹与锁夹槽接触并非完全接触，根据实践，将接触比例因子设定为0．4，即实际接触面积为整个锁夹槽曲面的0．4倍，预紧力就均布在这0．4倍的曲面上，为P~=430／4N。

1．4气门热一应力耦合分析气门温度载荷施加后，就可对其进行热分析，接下来要指定分析类型，本文采用瞬态分析，使用完全法进行求解，与单元相关的质量矩阵公式进行计算，指定载荷步为阶跃的方式，设置时间步长和载荷步结束的时问，并将每个子步所有的内容都写到数据库中(除了SVAR和LOCI记录的)，然后点击SOLVE进行求解目。根据有限元间接分析法的步骤，要先删除实体模型上的热载荷，然后才能进行结构分析，通过转换分析单元(将热单元转换为相应的结构单元)，并重新定义材料属性和边界条件，最后进行求解计算。

1．5计算分析结果通过ANSYS的后处理，可以查看气门热一应力耦合分析结果如下：一 26 一图4气门等效应力分布云图图4为气门等效应力分布云图，从图中可以看出气门分析结果中的最大应力出现在气门盘部，所以有必要对气门盘部应力变化规律做详细的分析。

hl口 射一 l i l i { l、一? }斗 ～+～}÷?}? 卜卜 卜卜 H～}图5气门盘部表面沿径向应力分布图图5为气门盘部沿径向应力分布图，x轴为径向方向，Y轴为等效应力。由图可知：在凹槽边缘部分应力变化非常明显；在接近气门盘部边缘的位置，应力发生了一次明显的突变，这是因为在该位置受到落座力的作用；在气门盘部边缘位置，应力达到最小。

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012 ．O，6 06 ．084 ．10eDIST图6气门表面沿轴向应力曲线图图6为气门表面沿轴向应力曲线图，可以明显的看到：在气门盘部过渡圆弧位置和气门杆锁夹槽位置都发生了显著的应力突变，气门杆中间应力基本上没有发生变化，从这里可以看出：在气门盘部的过渡圆弧位置是很容易发生疲劳失效的，对该位置进行应力分析是有必要的。

2结束语通过运用APDL命令流对气门进行建模、划分网格、施加载荷等，然后对其进行了热一应力耦合分析，得出气门在工作过程中最大应力出现在气门盘部，而气门的过渡圆弧位置也容易产生疲劳失效，通过对气门盘部和杆部的应力分布隋况，可以为气门结构优化和疲劳寿命分析提供理论依据。

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作者简介：王景(1986，11-】，硕士研究生，河南工业职业技术学院机电工程 系，助教。