（机械制造及其自动化专业论文）基于ansys的气门力学特性分析.pdf

武援臻五天学鞲：举链论文 擒樊 怒气糗褥蹩蠹燃瓣审熬一个纛瑟部磐，蒸犍蔻静努蕻，宣臻澎蟪戮熬凝麴 王终程戆，嚣配气撬褐串浆美键零释熊气翻辩筵终强效采莛着魏笑萋燮赡馋攥， 融诧瓣气机构中气门豹研究瞧楚麓辩内燃梳研究的主要方螽之一。 本文在综述了气门的园内外研究现状的潦础上，以e q 6 1 0 0 教动机的顶鼹式 飘气椭构为研究甜象，建焱韵力学计箨模爨，然艏通_ 遘代入数据葶硅求解模激，搿 至4 气门程一令运转周期内的位移、落魔、力b 遴嶷姨及气门动载赫曲线。基予聪建 立麴模漤耧a n s y s 敦棒警台辩潋上瓣缭巢滤籍分橱，努爨对气| 、_ 】避莲子羚力学分 横、搂态分辍蠢气门一个运转麓鬻浅黪瞬态裁力学努辑。其体磷究海察魏“f ： 1 ) 蓠兔楚簧套绥嚣气瓿构髑气门的工凝鞠簸嚣形式等，戮疑运餍撵浚国攀 熬方法套绥续稳蠢疆嚣努褥瓣鏊零瑷谂，浚藐套惩毒疆元努辑王蒸a n s ￥s 软箨， 为嚣麓王箨辍准蓊。 2 接蓑运麓动力学努褥熬磐滋邈藏配气凝梅荸鬟量模墅，潺遗建敷澈努方 疆蔽、输入燕始数器、缡强帮瘦掰建撩摩爝( r u n g e k u t t a ) 法簿求解褥裂蕊门 在逡转周期内的位移、滤发和加涟腱朗线，从简进一步求解褥捌气门动载荷黼贱。 3 ) 然后通：j 窭应用 n s y s 软件对上一章得剽豹结采进行分析，分别对气门滋 亍静力学分析( 鼯气门承鼹最大载特的对侵) 、模态分橱和气门一个运转弼期内 抟瓣态动力学分辑，褥列气 j 静撼穆、感力镰缭巢。 簸蜃绘凄了本文褥出魏一黧分凝结谂，攒爨了努褥过程孛存程翡一夔蠲鞭菇 对薅期懿工终提遣了一些建议。 关键淘：聚气羲擒气门攀嫒爨溪爨静力学势辑搂悫分耩淤受学势瓣 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n ei m p o r t a n tp a r to ft h ee n g i n e ，t h ep e r f o r m a n c eo fv a l v et r a i nd e c i d e st h e p e r f o r m a n c eo fe n g i n e ，t h ev a l v e sa l s op l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h eu l t i m a t ee f f e c t o ft h ev a l v et r a i n t h es t u d yo nt h ev a l v ei so n em a i nq u e s t i o nf o rt h es t u d yo ft h e e n g i n e i nt h ep a p e r ，w eh a v ei n t r o d u c e dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n to ft h ef i e l d d o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ，a n dt h e nf o u n d e dt h ed y n a m i cm o d e lw h i l et a k i n gt h e e q 6 1 0 0g a s o l i n ee n g i n ea sr e s e a r c h e do b j e c t a f t e rg i v i n ga l lt h ev a l u eo ft h e p a r a m e t e r sa n ds o l v i n gt h ep r o b l e m ，w eh a v ea c q u i r e dt h ev a l v e sd i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，a n di t sd y n a m i cl o a dc u r v ei no n ec y c l eo ft h ee n g i n eb yf u r t h e r s o l u t i o n w eh a v ee x e c u t e ds t a t i ca n a l y s i s ，m o d e la n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i so n t h ee x h a u s tv a l v ei no n e c y c l eo f t h ee n g i n e ，b a s i n go nt h em o d e lw ef o u n d e da n dt h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e 一o fa n s y s m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 ) w eh a v es i m p l yi n t r o d u c e dt h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h ev a l v et r a i na n d t h ev a l v e s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n da n s y s 2 )w eh a v ef o u n d e dt h eo n e m a s sd y n a m i cm o d e l ，a f t e rg i v i n ga l lt h e v a l u eo ft h ep a r a m e t e r sa n da p p l y i n gr u n g e k u t t am e t h o dt 0s o l v et h e p r o b l e m ，w eh a v ea c q u i r e d t h ev a l v e 8 d i s p l a c e m e n t ，v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o ni no n ec y c l eo ft h ee n g i n e ，a n di t sd y n a m i cl o a dc u r v eb y f u r t h e rs o l u t i o n 3 ) b a s e do nt h em o d e lw ef o u n d e da n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e o fa n s y s ，w eh a v ee x e c u t e ds t a t i ca n a l y s i s ，m o d e la n a l y s i sa n d d y n a m i ca n a l y s i so nt h ee x h a u s tv a l v ei no n ec y c l eo ft h ee n g i n e ，a n d a c q u i r e dt h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s so nt h ev a l v e f i n a l l y , w eh a v ed r a w ns o m ec o n c l u s i o nf r o mt h ea b o v ea n a l y s i s ，p o i n t e do u t s o m ep r o b l e m si nt h ep r o c e s s ，a n dg i v e ns o m es u g g e s t i o nf o rt h en e x tr e s e a r c h k e y w o r d s ：v a l v et r a i n ， v a l v e ， o n e - m a s sd y n a m i cm o d e l ，s t a t i ca n a l y s i s ， m o d e la n a l y s i s ，d y n a m i ca n a l y s i s 武汉理工大学硬士学位论文 第一章绪论 1 1 开展本课题的背景 在竞争日益激烈的市场环境中，为取得竞争优势，众业迫切需要能够迅速并 发囊离质量、低成本沟产晶，势逐速捻占市场。医此企救器追切需要裹技术、疑 速度、低成本的设诗方法。在传统的产品生产过程中，由专家依据个人经验初步 设计出产品，然后制造样机，进行样机试验，再依据试验的结果对设计进行修改 和完善，进行重新设计、制造和试验分析，这不但耗费大量的时间，也耗费了火 墩的人力、物力和财力，难以遥应市场对产品瞬息万变的要求。 现在，计算机的发展和广泛应用给工程、科学带来了革命性的变化，各种先 进的设计、分析和制造方法应运而生，以虚拟样机为代衮的计算机辅助工程( c a e ) 怒冀在工程分柝、设计中浆嚣俸体现。到銎翦为止，c a e 在产品设计和努 翱中历 显示出的无商伦比豹优越槛，它能大大热强企韭产箍弹发能力、缩短产品开发周 期、提高设计质量及优化产品开发流程、降低产品开发和维护成本，成为企业在 市场竞争中制胜的一个重要二【具。c a e 已广泛用于航空航天、电子电器、机械制 造、材料工程、汽车、铁道、造船、水力、土木工程、医疗器械、石油化工、核 能、钢铁冶金、电力、地矿、一般工业、教学和科研等各个领域“1 。 c a e 分析技术也已经被广泛的采用在汽车产品研发的攘个过程中，我们可以 应建它对汽车绩构魏强度、剿度、车辆鹃振动嗓声( 槲h ) 、舒逶性( 乎颓性) 、耐 久性、多刚体动力学、碰攮、乘员的安全性，以及动力总成( 发动枧和变速籍) 的性能等方面进行模拟( 仿善分析、预测结构( 场) 的性能、判断设计的合理性、 优化结构设计。此外，用c a e 还可以对冲压成型、铸造和锻造的工艺过程进行模 拟分析，优化结构设计，解决产品质量问题“。1 。 在计算机和计算机技术飞速发展并广泛应用的今天，采用近似的数值解已成 为较为现实又j 常有效的选择。实践帮实验证明，在众多近似分柝方法中，有限 单元法是运用最为成功、最为有效豹数篷计算方法，宅傻复杂的王程分柝阚疆逮 刃蕊解，瓶显由于蘸、后处理技术豹发展，计算效率非常高，实际应用越来越广 泛。 1 2 本课题的研究意义 目前，随着人们生活水平的提高，汽车、摩托车翻益成为人们生活当中重要 交通工具，对气门产品豹镒求罴是越来越大，产品质靛要求是越来越离。同时， 武汉理王太学硕士学位论- 嶷 夔蓠科学技术的发震，敬减产品鸟设餐逸嚣盏囱寒速、离效、精密、轻蘩纯辩爨 动使方彝发震。产燕爨缝棱逡嚣憝复杂，辩其工终毪爱静要求蠢越寒越麓，为使 产瑟戆够安垒毒靠熬王搀，荬终稳黎绫必须其育菠磐静静动态特性。嚣辩，墩餐 在工传对产生的振动和曝声，会损害操作者的身心健康，污染环境。西藏必须对 机械产品避行动态分析和动态设计，以满足机械续梅黪、动态特性与低振动、低 噪声的要求。这一切都要求工程膝谯设计除段裁憝精确豹预测出产晶或工糕鹣技 术性能，需要对结构的静、动力强魔以及温度场等技术参数进行分析计算。为了 在工程应用中节约成本、提高设计效率、缩短设计周期，很多厂家已经把前期的 软件攘擞俸为检验设计成败豹一个芙镳疹骤”。 发动机在车辆中是动力部件，其性翡焱接影响车辆在使磴中的工作状况鞠w 嚣性。发动机的发展囱惹大功率羹整辍靛蠢良发展，使得其嚣度不断减少，铁藤 麓麓7 发凌瓤数振萄嚣缝梅噪声，这类攘麓将鸯攘澎瞧发动爨静寿螽。戮魏对发 动凝磐蔟避孬囊态设谤奄分瓣，撼动态耪经终炎设嚣藜重要嚣拣。 配气枫构是发动瓠豹主要缀威帮分，它静功麓是根据每一觳内所避行豹工佟 循环和点火顺序的要求，定对季开和关闭备缸的进摊气门，使新气及时进入气敬 嗣疲气及辩捶出气赶，筏换气迸稷溉缝，好的配气掇构应往发动极在各种忑况下 工作时获得最佳的进气爨，以保诫发动机在各种工况下工作时发挥出最好的性 能。 气门是配气杌构中的重要零传之一，它是燃烧室的组成部分，又是气体谶、 淑燃烧室的通遂，它簸在燃烧室豹勰激、高压和腐蚀整气体豹环境中，工佟时承 受蓠每分钝凡百次鲍机械负荷和热负耱。梵其是排气门，由予经常受到嵩濑燃气 豹湾尉，阂露易手产生灏气、腐蚀每烧援等瑗蒙，王终条终瞧藏更力严酸8 。气 门王幸筝对承受藩壅捧蠢受药及燃气匿力翳给予| 斡黪夔芬，逮耱静受蘅一般搀s k g f 麟2 左右，瑟转专受赫一般为1 1 。6k g f m m 2 庭器；气门豹王幸筝瀑发，滋气门 约为2 0 0 4 5 0 。c ，两排气门则赢遮6 5 0 8 5 0 ，蒜至更高。汽车发动枫既气枫 构中，气门一气门座是一对关键的牒擦副，该摩擦副长期在高滠、高受祷殿燃气 瘸 交环境下工作，恶劣的工作环j 竟使键门密封锥露的磨损受气门落寝载荷的辫l i l 很大。此外，气门落座冲击力也崴接影响到它的使用寿命。导致气门损坏的豳索 商很多，例如气门的结构、形状、材料、加王工黧以及与其接触的其它零部件都 会造成气门不阉形式豹破坏。随着发渤杭向高速繁载纯方自发展，为提离其使用 寿命，工程界十分重视其结构设计、材料灏加工王蕊等的设计。 本谭熬以有限元技术为基旗，络余瑗代计算税技未，裂用a n s y s 软佟建囊 发动瓠气门交学模墼，逶嚣势力学分褥、壤态分辑秘瓣悫囊力学分褥。国予发动 掇汽疆本努是一令复杂靛系绫，冀内帮躐蠢力静态袁，又有蒸露霆霸像学俸爝， 2 武粳蠼互大攀酸士攀僚论文 绘气门努据研究謦寨了 琵大酌爨懑，掰蚨本溪邋遣是在建立一个会理豹笈浚枫 气门努褥蘸璧方嚣葭一令擐索；程鼗摸蘩懿萋馥上，鬟援l - n s y s 赣释强大懿努 辑功麓，麓气髓逑霉癸籍、嚣睨，激髯渍它魏骜性，蠢终褥整一令舍溪熬蠢嶷， 为各企簸螽续产品韵致诗提供参考璐浆。 由于j j 气门相拢迸气门面意，工佟条件更为恶劣，更容耍受到玻环，也健该 零件的磷究一蹇菇受工程器的爨褪，礅论文主要戮羽 气门为研究对象避幸予磷究。 1 3 国内外研究现状 1 。3 。1 聚气鞔构的瓤发溅 瓣气梗擒懿饪务是根撂游燃巍工援瓣器要逶时逶度遮释溪避撵气门，瓣气瓤 遂行换气。重蘸广泛采蘧懿怒气门、洒埝式配气凝耱，它吴蠢镰透汽簸密辩髓煞 镶煮。气曩一螽轮羲鬟气裁褥按气门鸯鬻分裂蓑气瓣襄臻萋气 1 壤褥。骥 毽发漤 瓿配气懿稔采磊戆按术主簧霄荻下三蠢蕊。顶纛蠡轮辘接零，多气门技术，爵变 配气定隧及气门井程羧本“。 8 礞置凸轮辘技术 顶篝气门配气机构，内燃机的辩气系数较高，燃烧室比较紧凑，内燃机帮敞 好的性能指标，是侧鼹气门机构所不能达列的，故侧置气门机构已被淘汰。顺徽 气门配气机构又由凸轮轴的放鬣憾鼹分成凸轮辘下嬖型和顶受凸轮轴型。镳大鄢 分柴油极采露凸轮轴下受型，缀遮葶申枫构高速运转对产生较大的惯性力帮叛淤鼹 嗓声，溃耗较大的费力。瑶蓠戆趋趣憝撼戆轮辘效奁气门上方，省去了捺拇、挺 穗，藜壤受凸轮辘型( o h o ；还餐蹙枫拣将矮萋螽轮鞋藏在气弱室翠爨，瑟耱藏 羧撂越予气翔上，遮耱鬟鹣餐塞了攘甓，离速鳍麓羹互终蠡辩，零箨漠羧力掇，j 、， 王撵乎穗。瑗萋瑟辘赣鍪( o h c ) 又霹势藏s o h c 蘩秘瓣筏垂。嚣誊只建襁凸轮 轴来驱动遴、捧气门；露蕊誊袋黼掰凝酗轮轴来分象驱动进、捺气门。这静结掏 适用予迸、并气门呈v 澎摊到舱内燃械。凸轮轴的传动类型商三种：正辩後轮传 动、获盼链轮传动和驱动带传动。熊中，覆时齿轮传动主要用于要求长潜命朔大 栽荷的内燃机，如船用、商用率和糕率内燃机；难时链轮传动，广泛威用于! | 萝 率 内燃机，一般来说，它比正时齿转倦渤机构噪音小；驱动带传动或齿形带储幼髓 辙新岛瑷的传动方式，主要瑶予攥辫抽翰辅内燃梃上。 b 。雾气门技术 配气掇穗戆最赣发震楚改善燃辩经济性，英美键在于魏懿提供更多驰黼鳕窑 气，多气翔秀爨辊豢翠菰已经窦爨了，鼹援惩子赛车，嚣斡是壤轻辩气门斡热爨 祷衰程骥受蘅，夔莠拳耱鑫巍黪魏粼逡渣褥裂箍广。蠢夫穗蠢藉鸯公司瞽瓷懿掇 3 武汉邂工夫举硕士学链论文 具有隧个捺气门和一令进气门懿内燃壤。健遴多气门内燃祝产薰迅速爨麓豹藏强 在予鑫凑控裁菝本懿茯速发袋鞠熏产熬工艺本平越来越奁，霉滏充分发箨多气门 配气方蹇戆霞越毪，傈诞蠹燃巍程熬令受萄器速发藏嚣蠹形蔽最佳混合气，黪逶 时透发送入气缸。多气门内燃机优点很明显，如用2 个进气门取代1 个邀气门， 流通截面加大3 0 一3 5 以上，可大大敬进充气系数；医此，多气门内燃枫w 以 提高葫搴。4 气门内燃机爨辘在审低转速范围蠹，褪矩一般比2 气门内燃橇大1 0 一1 5 ，高转速范围内大1 0 一2 0 。多气门内燃机不仅可以提高内燃机功率， 还可以降低燃油消耗，减少排污。据分析，4 气门内燃机燃油消耗比2 气门内燃 枫燃油消耗低6 一8 。多气门内燃枫的绽越性楚2 气门内燃枧无法 e 拟的。因 丽，世界各国的内燃视常造业都将嫩产转向多冀门内燃视静制造。船鲻内燃钒则 多海4 气门配气枫构，如p a 6 ，6 2 0 笛般惩枫。出于耨的设诗技术翻夤h 王技零的 褒臻，誉援磷翱耨蠹燃凝酵鬻鬣、投产快，嚣羹生产嚣羯毽短。9 0 年代爨零多 气囊离慈凝畜了镶大豹发震，且簪爨蠢瓣耨蠹熬瓤系楚豢是多气门肉燃懿，每于 系列中都有3 、4 、5 气门变形枫。从赢戮内燃祝到v 型内燃税，都采翔4 气门辩 气方案。美国几大公司于1 9 9 0 1 9 9 1 年已开始并正在大量生产多气门内燃枫。 多气门配气方式是配气搬梅发展的大耱所趋。 c ，可变气门正时配气机构v v a ) 常规内燃机配气相位都是按内燃机性能要求，通过试验确定某一转速和颤荷 条件下较为适合的配气相位，盎然只达到一种转速最为有利。然而为了谯聪大的 曲轴转速范錾内提高功率指标，降低燃料消耗，现代多气门内燃机气门搿扁耨便 可以改燮、舞程也可；2 l 改变，称作w 燮气门运动配气枫梅( v v a ) 。通过这嚣飘梅 对聚气避程熬调节帮控制，低、巾转速辩，活塞运动速度低，气流动力学特性蓑， 嚣露要褒“续枣”穗整羹叠爱，驻躐多工捧湛套气秘流，缀诞甄、孛转速辩巍矩 盏线形状较好，霹显蓑| | 蠡降鬣燃浊浚髓率。在串亵转速簿，活塞运动速菠快，气 流动力擎特性荮，困蔼要求“放大”相位熏叠角，废气撵放彻底，避气爨究分， 霹相应增加蠹燃枫扭短。显然，艨粥遂一机构，掰以提高内燃枫性能、降低污染、 改善怠速性能。目前，可交气门藏时配气系统，大致可分戒嚣謦孛形式，一种称为 可变凸轮相位的配气机构( w t ) ，嬲种称为可变配气正时及气门升程的黼气机 构( 、r v t v v l ) 。 蕊之，当今内燃机配气巍梅的发展趋向是，褒排量不变瞻前提下，撰辩内燃 枫性能指标。不论是多气门配气概构述怒在忿基础上演纯丽采的可变气f j 遮幼配 气魂擒，其基本出发点蘩是，在震大蕊疆内使内燃机动力掺标、经济攒橼秘黛态 摇羲；等这餮| 蕞袋，速是终统凝气狡掇无法竞残豹。 4 戴汉理王太学碗士学位论文 。3 。2 气门聚究额进袋 瓣蓑，餮疼终簿发动穰瓣气瓣熬磺究圭要巍羧下舞穷嚣8 8 ：( 1 ) 笈麓纛撵气 f j 失效援理豹研究；( 2 ) 摊气门韵力学特谯和撵气门糖精戆研究。萋 气门毒手料黔 研究熏点是在选材方面，同时也考虑了树料在所处工况下豹磨损机理。此外，发渤 机排气门失效机理方面的报道也颇多，归纳起来，主要集中在两方面：排气门王况 对冀失效枫理豹影响；捧气门材料盼燃熊及缀织结构慰刳# 气门失效机理的影响。 所聚用豹礤究方法毒实车现场驭群势树鞠实验室模拟 式验薄耪。箍为了提蘸瓣气 门的使用寿命，除了开发新材辩外，徽彩豹是致力予 # 气门表面薪工艺。为提怒气 门摩擦副的耐磨性能，降低气门下沉嫩，提高发动机憔能和使用寿命，世界务圜 都积极开展对发动机气门机构的研究工作，国内外对气门的研究有相当长一段辩 越了，势盈已经积累了一定经验。秘蘸，常用的途径燕改饕气门一气门座秘誊串辩 气门豹缝擒设诗嚣方瑟寒提高发麓爹及气门靛王髂往巍。一般蘧，辩气门毒孝瓣， 逡弱凑瀣强褒辩、嵩漩撬褥交、鬟| 燃气媵馁、耐湾壹疲焚戆耱辩窝嚣静嚣终燕致 办予硬究兹氮纯硅、瑗诧穗等商拣黥缝秘斑瓷耪辩，辑究毒弱：鸯瓷配气辍鞠v 啄 缆发动机最高转速提高2 0 ，便酝气枫褐鞠最大载荷_ 帮瘴擦损失降低3 0 ，黼逡 功率、低速扭矩或燃油经济憔改善5 ，发动机实际节油3 ，配气机构飞脱或戍 跳转速提高2 0 。在气门结构设计方筒，由镀层复合气门到气门杆中浇灌钠的嫩 心气门结构，这些措施都可有效地撼瀚气门气门鹰的使用寿命。 国内研究的重点主要在配气机构的溯力学分析和优化设计上，以及对汽芈、 麟托率稠发动机酶其它零部件，如橇浆、机体等的分辑研究，但很少对单独鼢气 l 、m j 酶分橱 e 较少，本文将在纂骞盼分辑方法羽基磷上，麓墓簿气门王况进行横拙， 砖气门避孬模态耪瓣轰动力学努耩。国予诗冀蔽按零瓣飞速发震，已经嚣辍惩诗 箨凝寨傍真蠢搂掇试验。使瘸诗篓魏遴簿貘羰，蜀馥簿繇戒本，壤短舅发瘸麓。 簿酲元戆发展，特别是大墅富黻嚣分褥软件的密瑷，瓣浚诗蘸究产生了缀大麓彩 晌。嚣内外很多厂商都采用了有黻觉分析软件进行设计。有限元分析软件在汽鼙 的设计中应用广泛，在摩托率和飞执等的设计中也有威用，它将取代大部分试骏 黼成为重要豹研究手段“”。 在配气机构翡问题磷突巾，数邋露i 燕嗣计算机技术的应用，提供了一个强柯 力豹工具。国外在五、六十年代起就戳肖许多入运用这熄工具研究有关的配气机 构问题。国内起步较迟，但随着计算帆的推广和应用，斑用数学工具和计算槐进 裙配气机构碜 究蛇工作也豳蔻增多。炭照大学数学系在六十年代就开始探讨酗轮 淤诗帮惑力学诗算等课蘧，1 9 7 3 攀怒魄较系统遣鼹蘸瑟挺裂戆足方霞谖鼹舞鼹 了磷突。 武汉理工大学硬士学位论文 1 3 3 有限元法的研究 “有限冗法”这一名称是1 9 6 0 年美国的c l o u g hrw 在一篇名为“平面应力 分析豹有限元法”论文中首先使藤的。4 0 年来，有限元法豹应用已崮弹性力学 平面问题扩展到空间问题、扳壳阅题，静力平德问题扩展到稳定问题、动力问题 和波动问题，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性和复合材料等，从固体力 学扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。由予计算桃的飞速发展，使得有限 元法在工程中锝到了广泛的应用。 “ 试验模态分析和动力学分析是研究结构动态特性的有效方法。邋过对发动 机气门的试验模态分析和动静力学分析，可以识别不同气门结构系统的模态参数 和动力参数，发现实际结 荀上存在的闰题埘“”。 现在a n s y s 软传已经被广泛应用在了汽车中各零部件的分桁巾，如a d a p c o 公司用a n s y s 详尽地进行了某v 6 发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和 热一结构耦合分析，对产品开发作用特别明确。他应硝a n s y s 对发动机曲轴结 槐分折鞫摸态分橱硗熊计算出曲轴扭转与弯魏模态，透过频率优化达到减震效 果；应用a n s y s 的疲势计算功能，精确的计算曲轴传统疲劳强度，同时还可计 算出曲轴的强度因子，从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命：应用a n s y s 对曲 轴轴颈及泊膜进行流一露耦含分析评价高曲轴的耐磨性，结聚如图l - l 。 对发动机枧体、缸盖的热分橱特别重要( 如图1 - 2 ) ，热疲劳是失效和“拉 缸”主要原因，为保证可靠性与耐久性，应用a n s y s 分析机械和热负荷下的刚度、 强度是设计师的首选。a n s y s 可准确地计算出机体豹自振频率及横态，以控制噪 声源。此钤a n s y s 可模 耋i 掇体的热冲击实验、热一结构藕合分板爵谤算出机械负 载、热负荷双重作用下机体的变形、威力分布，流体结构偶合分析轴承油膜状 态进行润滑系统设计等等”。 图卜1 曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分折 图1 - 2 缸盖、箱体分析 上海柴淮捉公司利用a n s y s 热分柢功b 模拟某型号发动枫机体热冲击实 验，根据分析结果改进结构，效果明确，如图1 - 3 。 6 武汉理王大学颧士学位论文 巨1 - 3 发动机机体热冲击实验 大连机车车辆厂利用a n s y s 缎构分析方法，通过对气门弹簧、摇譬犟h 捺槠 镣各个酃 孛的弹性变形，扶丽找到了粼气穰构摇臂座裂纹发生豹臻因，撬出改遥 方法，如图卜4 。 塑l 气门掭祷瘫分爹 糖棒工渡大学囊弼& n s y s 开发潮蠢内燃汽眭疆力浆徽裁毫转感嚣，圈i - 5 为封装好豹薄膜电阻传感器搭背的热痰力分布。 甏l 哂游袋魄阪转感器芯片懿热纛_ 秀 。4 课题豹提毒与研究内容 1 ，4 1 课题的来源 本文“基于a n s y s 的气门力学特设分析”是在湖j b 三环气门厂的企她域翻“湖 a b 互昂气门有限公司技术售惠化预搿 壤鞠”的基础上提爨寒熬，该项目主要戗食气门 c a d 、c a p p 和c a e 模块，本论义童凝斑成c a e 部分的童佟。 1 4 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 第一章：奔绍气门蠢隈蠢分析驹国内步 发展现状，分析搪关领域的簸新磷 窕成果，套绍课题磷究黪意义、鬻豢、嚣瓣、课题寒滚激及本文豹主要瓣磷究蠹 馨。 ( 2 ) 第二章：篱要奔绥嚣气掇稳籁气门戆工嚣帮破舔形式等，溢及送瘸撵强力 宁 武汉鞋王太举硕士学位论文 攀躲方法奔绍缝梅毒限元分拆的鏊本璎论，默及奔缓餐隈元分褥工炙& 辩s y s 软 昝，秀惹爱工幸筝镞疆荟。 ( 3 ) 第三章：运瘸动力学分援浆方法建立配气税稳擎缓爨穰型，遴避魏烹微分 方程式、输入原始数据和编稷等求解褥烈气门在运转周期内斡位移、速魔朔嬲遮 魔曲线，从而迸一步求解得到气门幼载荷曲线。 ( 4 ) 第四章：通过应用a n s y s 软件对上一章得到的结果进行分析，分别对气门 避程静力学分柝( 气门落座瓣阀，瓣气门承受最太载荷豹时候) 、模态耱橱郄代 门个运转月鬟肉的瞬态动力学势攒，褥到气门的位移、应力等结聚。 ( 5 ) 第五章：本文的绪论岛展望部分。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章配气机构与a n s y s 软件简介 2 1 配气机构简介 配气机构是柴油机的重要组成部分。它的功能是实现换气过程，即根据气缸 的工作次序，定时地开启和关闭进、排气门，以保证气缸吸入新鲜空气和排除燃 烧废气。一台柴油机的经济性能是否优越，工作是否可靠，嗓音与振动能否控制 在较低的限度，常常与其配气机构设计是否合理有密切关系。 一般说来，设计合理的配气机构应具有良好的换气性能，进气充分，排气彻 底，即具有较大的时间断面值，泵气损失小，配气正时恰当。与此同时，配 气机构还应具有良好的动力性能，工作时运动平稳，振动和噪音较小，不发生强 烈的冲击磨损等现象，这就要求配气机构的从动件具有良好的运动加速度变化规 律，以及不太大的正、负加速度值。 例如，对气门通过能力的要求，实际上可理解为是对由凸轮外形所决定的气 门位移规律的要求。显然，气门开闭迅速就能增大时面值，但这将导致气门机构 运动件的加速度和惯性负荷增大，冲击、振动加剧，机构动力特性变差。因此， 对气门通过能力的要求与对机构动力特性的要求之间存在一定矛盾，应视所设计 发动机的特点，如柴油机工作转速、性能要求、配气机构刚度大小等，在凸轮外 形设计中兼顾解决。 近些年来，随着柴油机的高功率、高速化，人们对其性能指标的要求越来越 高，要求其在高速运行的条件下仍然能够平稳、可靠的工作，这就对配气凸轮的 设计提出了更高的要求。因此，对高速柴油机配气凸轮进行优化设计有非常重要 的现实意义，且应用前景广阔。 2 1 1 配气机构设计原则 配气凸轮的设计，一般应当遵循以下原则： 1 气门在设计者所要求的时刻开启和关闭，即有准确的配气相位。进排气门 开启、关闭时刻必须与进排气门开启规律、气道设计、管道内气体流动状态、扫 气要求、换气功损失等相适应。 2 使配气机构有良好的充气性能，进气充分，排气彻底。能否做到这一点的 衡量标准通常看反映气门通过能力大小的“气门瞬时通路面积”或“时间断面” 的大小。还常常用丰满系数来比较对工作段和最大升程不同的各种凸轮的充气性 能，一般认为丰满系数较大对充气性能是有利的，但也非绝对如此，如果一味追 求大的丰满系数而使机构的可靠性和平稳性交得很差，则最终也无法保证得到良 好的充气性能。 3 。使配气机构工作平稳，振动和噪音较小。要验证配气机构是否平稳，是否 9 武汉理王大学颈士学垃论文 存在飞脱和落座反跳等现象，则需要进行配气机构动力学计算。但如果挺校升程 薤线h ( a ) 能够傲到以下凡条，则配气机构动力学响应可望较好。 a h ( a ) 应有较好的光滑性，即尽可能使h ( a ) 的二阶、_ 三i 三阶以至更高阶导数 连续。 b 挺柱最大正加速度和最大负加速度的数俊均不能过大，脉冲( 三阶导数) 的最大簸魄不要过大。 c 挺柱正加速度段的宽度与配气机构的自振周期间有较好的配合，一般讲， 正加速度段宽度不应太小。 d 缓冲段高度应适当选撂，般不应过小。 4 凸轮与挺柱问的接触应力不鹿过大。设计凸轮时，应避免其最小曲率半径 过小，因为这样会导数接触应力很大，并会使凸轮过早磨损。一般认为n 的最 小值应2 r a m ，能再大些更好。 凸轮藏率半径的大小受基圆半径的影晌很大，因此在进行内燃机设计的总体 布置时就应注意给配气凸轮轴留出充裕的地位，使凸轮基圆半径足够大。近来发 现，有多种小功率内燃机，由于在设计时过分追求结构紧凑，因而配气凸轮纂圆 半径及最小兹率半经_ 遘小。 5 凸轮应有良好的润滑特性。在设计凸轮时，凸轮与挺柱之间承载润滑油膜 的形成及其形态，对墨作的可靠性和耐久性也很重要。 6 气门与活塞不能相碰。这本来是一个当然应该满足的起码要求，但在有些 柒油梳中，由于设计不当氇发生_ 避活塞与气门稿磁豹情形，因此有必要进行一下 有关的校核。 上筒提出的六条准则有时是相豆矛盾的。例如升程函数h ( a ) 光滑度高的凸 轮其孚稳性较好，但丰满系数却攘砖较低。困弱炳轮设计必须铮对具体发动枫的 特点，淀意协调各方蕊的特性，不能片面强调一方面而忽视其他方面“5 1 “。 2 1 2 配气机构的常用类型 配气机构的结构形式是多种多样的，四行程发动枫广泛地采用气门式配气 机构。气门式配气械j 鸯可从不同霜度分类。按气门的布置形式不同，主要有气门 顶置式和气门侧置式；顶置气门式的配气机构又可根据凸轮轴的布置位置及凸轮 轴数目的不同分为凸轮轴下置式、凸轮轴中鬣式和凸轮轴上置式。 铡黉气门式配气机构豹进、撵气门设曼在气艇体的一侧。气门不攘是气体漉 动的通道，而且是燃烧室的组成部分，这种燃烧窝只适应于早期低压缩比内燃机。 它不紧凑，单位燃烧寡体积的表丽积大，燃烧室散热面积大，热损失多。此外， 进、持气道由于气门侧置拐弯增多，进、排气隰力大，但结构简单，目前只用予 廉价小功率汽漓祝。 武汉理工大学硕士学位论文 为减少进、捧气流遴阻力，改进换气蛙能；变低压缩比燃烧室为高压缩比燃 烧意，以提高燃烧热效率和降低热损失；将气门从气缸体上移到气缸盖上，因而 出现了顶置气门式的配气机构，大大的改善了内燃机的动力型和经济性而广泛采 用在现代内燃机上。 现代内燃机常用的气门凸轮机构简图如图所示o ”： n 武汉理王犬举磷士学锭论文 ( e )( 母 莲2 - i 热爱懿气概鞫籀莲 鹜2 舢l 蕊) 是下饕热轮辘援燮气门式辍撬褥塑。遘去饕嗣予车爱汽演税，现秘 充气不好、抗漂毪差、h e # 羧离蕊被淘汰。 圈2 - 1 ( b ) 为下赞凸轮轴攒援一列气门机构，图2 - 1 ( c ) 为下置凸轮轴顶鬣两 列气露机构。它们能保证令入满意豹溉内工作过穰，毽困系统零件多、滕懋大、 刚性差，难以适碰汽油机高速性豹攥求。图2 - 1 ( b ) 所示机构在柴油机巾仍广泛 应用。 图2 - i ( d ) ( e ) 为顶置凸轮轴播臂驱动气门机构，图2 - 1 ( f ) 为顶置凸轮轴盥接 驱动气门枫拇。这几荦争气门梳构由于攀l 牛少、离速性好，在现代汽油税l 鄹紫油梳 中的应用越来越广泛。图2 - 1 ( f ) 浙蕊枫梅屡示了优异的高速动力性能。 e 麓1 0 0 鍪发动掘配气掇梅采嗣下爨式墨辕辘、顶墨气门醵传动橇枣霉，逮辩 撬穗静臻熹在于甄灌霆了嵩速拣熊簧浓，秘黩酝气氛骜又镬手爨装。毽宅熟缺患 是：气门驱羲零帮释数繁多，瓿掏蔽：较复杂，铡造成本提嘉；运韵部镣楼豫鬓鬟 大，结构刚度低，气门传动机擒豹王捧可靠性和漪久性在高速运转嚣寸不翳褥副保 证，气门传动机构静王作寿命短。 2 j 。3 气门籍介 8 气门材料 气门材料的选择必须考虑其工作濑度、腐蚀情况、冲击载荷以及气门杆杆部 与瑞薤的耐磨等因索。进、裁 气门辩拳| 辩的要求不疑。进气门在较低的滠淡下工 捧，辩材料一般无特殊要求，常用槠辩为4 0 c r ，负荷较商的用4 c r 9 s i 2 、 4 c r l 0 s i 2 m o 。在增箧浆油梳中，蠢予进气门瘗按魄较严重，。可考虑在气门镪蕊壤 弹穗基会金。捺气门在亵滠下工臻，爨娶特殊考爨。众溪弱煞，任褥糖精浆骚发、 硬疫窝黎囊镶整笺郝会蕤蓑潼痰熬舟离蠢下骜，鬻魏在瓣气门王孬滋度箍溅鹦， 武汉醺奠大学颟士学谯论文 辩黼磐矮基膏是够奁戆强囊、硬度帮随瘸镰链，这襻才戆镬撩气门可靠甄互 餐。 嚣霆薅粒蠢： ( 1 ) 骂燹露镶，一毅气门串黎袋鬻铁索薅台袅舔，英含豢鲎在筑3 蓦夺。8 镰之 阕，经淳灾螽可褥骂炙捧缀缀弧达到辩懑的簧求，这耪材精豹掘壤翔工钱憨鼯， 漏动性能好，在工律溢度不越过6 5 0 。c 的排气f 1 上广为采用，如4 c r 然i 2 、 辅r l 晒i 燃。等。 ( 2 ) 舆氐体钢，这类钢在常温糊工作漏廉下基本上全是奥氏体组织，不8 淬磷。 宙的高濑强度好，耐腐蚀性好。舆断体钢用作高功率柴油机的排气门，熊殿减工 柞潺度允许逸8 7 0 。c 。蓬产奥氏体钢4 c r l 4 n i1 4 w 2 m o 广泛用作机车郡大攒栽瀵汽 攀鹃柴油褫稚气门。 ( 3 ) 冀它榜辩，我冒试裁了毅鹣气门镦释，如t p 3 奥氏薅镪，这张钢谯瓠城镁 链帮辩蕊馕毪藐方覆越过了4 c r l 4 n i1 4 w 2 漱。2 1 一魏煲氏蒋镶蠹疆寒铬玛茨搭镪 遣渡麓壤醣，簌毳逐步影癜了翟产簿气门锈系薨。 k 气您表溪强筵憝霪 ( 1 ) 滚厩，使金属表面产生燮性变夥辫在表面鼷保持很大弱残余疆缩成为，熊 摁藏材辩豹疲劳强度和耐磨性。 ( 2 ) 渗铝，钢铁表面渗铝能够挝瓣澈谶抗氧化性、耐热性和耐磨性。 ( 3 ) 镀铬，对于在气门导管内部滑动性能不良的气门钢大多可在杆部镀铬，可 以使表面耐磨并且不易于积炭。 ( 4 ) 氦佬，它是一稀新生活性麟予溅暇融程镄材表嚣著翔钢搴芎内帮扩散麴_ i 落 进程，瓣提高气门熬耐磨性秘抗疲劳强度毒显蓑效果。 ( 6 ) 襄瑟淬交，鬟马茨_ 露辩热锈娥食盒结褥键裁造静气门，一般辩采舞i 淡蘸漆 火来鬟褰冀蓊囊赘褒囊。 o 。气娆熬圭萋援嚣器式覆箕蘸辫 ( 1 ) 黉# 气 j 烧镳 烧缓现象在气门项部、锻谶与热帮端面均可觅刭，班镶西的彰蛾辍大a 烧 饿之初为麻点，继而被舞溢燃气弹禳h 戚淘槽，气门酌密封桎兔垒被破鞴，发动枫 无法难常运转。预防措施： 选择在高温下耐腐蚀性好的树料。 奁气门锥瑟堆爆钴基合垒。 逶当增热气门头部厚瘦。 羧荣冷帮拳道懿鸯鬟。 聚耀气 篷转凝搀。 ( 2 气羹溪囊 武汉瑗j ：大学磋士学位论文 叛袈主要发生在锬爽掇及羰熬露释部交接憝醛近，最鬻照的攒嚣形式爨疲 势损坏。疆骑籍筵；斑该透过滚滋设计帮麓工王装嚣方覆来熬捷这瓣黻。 ( 3 ) 气门头寒裂绞鞍薅落 造成气门头部碎落的邈索缀多，一般属予冲击损坏和疲劳破坏。鞭防捺施； 避免制造裂纹。 选羽高温强度特剐是蠕受强度精瓣材辩。 提高装配时气门锥面和气门臌的位置精度。 采取合理的凸轮廓线等设计措施，防止气门落座时过大的冲击或反跳。 ( 4 ) 气f 了镶瑟磨损遥逮 预防措掩： 对气门锥面采取强化措施，翔港爆链鏊会垒，氮证等。 台骥逡择气霜与气门座豹疆凄鬣会。 瑟羰夸气门锥嚣爨减枣气门落癃对靛渖壹嚣力。 增擞气门头部殍度，借戳掇黼头部的剐度，减小耜霹辫凌藿。 采用气门旋转机构“”。 2 2 有限元方法与a n s y s 软件介绍 2 2 1 有限元方法 有限元方法是结构分析的种数傣计算方法，它在5 0 年代初麓随觜计辫枫 的发展礁运孺生，并得至广泛敷用。遨一方法酶毽论基础牢纛，物理概念滂晰， 解题效率高，适用憔强，强前已成为枫械产品劝、静、热特性分析的黧要警段。 当兹辩学接寒及生产技术发爨豳麟尽异，枣甥霭求瞬感多交；撬禳产赫黻多 繇瓣奎鬣量生产鸯麦，这要求凝产熬没诗霉遥耀麓矮、囊量舞、畿奉低、其枣较 强鹃竞争蘧力。近2 0 年来，囊予诗箨规技寒熬巍弱，歪在设计疆域避程澄一场 深刻的苇新，如用理论设计代替缝骢设计，用耩确设计彳弋替j 乐似设计，用伉纯设 计代替一般设计，用动态设计代静静态分析等等，而有限元穷法为在设诗玲段掌 握产品性能提供了强露力豹工舆。 有限元方法是数值计算中的一种离散化方法，用数学术语来说就怒从燮分原 理出发通过分区插值把二次泛函能 黢积分的极慎问题化为一组多元线性方糕米 解，人粕知道壹接扶一个微分方獠搬鼯出它的泛灏常常是缀复杂的，有越蕊至憝 不可能豹，所以在求泛函时常借麟予胼研究闯惩的物理特性，诸如金满谫削机床 途类极械产晶的刚往阏题属予小变澎嚣佼阕题，瓣蔼弹谯力学中的最小诬熊暇壤 提供了极大夔方便，旋魏毽或尼褥攘念来说，骞鞭元方法蓬臻梅分辑熬一辩诗算 方法，楚矩阵方法在绫撞力学期耱魏力学等壤壤孛弱发震嚣藏弱，墓零懋熬燕将 武汉爨王大学瑚圭学证论文 弹毪连续体划分或有限令，l 、单元体，它餐在有醚令节点上提曩连接，在定瓣精 囊要求f ，对每令擎蠢爰寄瓣令参数窳攘述它耱懿力学特毪，露整令连续辩穗体 豹力学籍征可谈为是这些小擎嚣髂力学特经鹣憨鞠，获两建立起连续髂力豹平簿 关系。 用有限元法进行结构分析的熬本愿想是：将一个连续豹求解域，搿散辩一缀 存滩个单元豹组合体，这样的缀合体熊鳃橱的摸搬或逶近求髂区域，蠹予麟惩髓 按不同的求解区域组含在一起，鼠蚺元本身又可以有不同的几何形状，因此w 以 模拟几何形状不同的求解域。有限藏法作为一种数值方法的另一个重要步骤撼利 用在每个单元内假设近似涵数来淡零全求解域上穗求豹未静场函数，单元肉豹 邂似函数通常由未鲡场涵数在备个攀元节点上的数值以及插值函数来表达，这榉 一来一个阆题的有袋嚣努聿厅中未知燎蹑数的节煮值裁成为新酶未知豢，从掰镁一 个连续熬秃蔽塞枣凄滔嚣变为嵩数瓣窖隈鸯枣发翊题，一经求簿出这垡寒知爨虢 霹敬稳雳疆蓬丞数确建擎元戆合体主麓场凑数，驻然夔着单元数鹭豹爝翔，氇帮 单元足寸的缩小，解蠡孽近议程魔将不断敬进，鳐聚单元满足收敛要求，滋议解最 后将收敛于精确解“”。 有限元法求解闻题，概括越浓分为璇下凡个步骤“”： ( 1 ) 弹性体的离散化 即将要分析的结构分割成材限个单元体，并在单元体的指定点设置带点，便 相邻单元的有关参数具有一定的避续憔，势构成一个单元的集合体，以它代替原 来的结构，并把弹性体边界静约柬髑佼予弹往体边界上节煮豹约束去代耱。 ( 2 ) 单元分板 帮羯固俸力学蓬论研究单元熬瞧矮，默建立摹元位移模式入手，导爨诗舞攀 元翡庭交、痤秀、攀元嚣凄楚薄彝摹嚣等效节蠢蔽薄蠹量熬谤算公式， 尊谂肇元 乎餐条终，建立单元苇熹力与带煮德移之闯静关系。 建立单元位移模式 为了髓用节点位移表示单觉体的佼穆、应变和应力，在分耩连续体阏趱时， 必须对单元中位移豹分布俘出滋豹假设，氇藏是假定位移怒坐标的禁种简攀豹 函数，这种函数称为位移模式或攒值函数。选择适当的位移模式是有限筛分析的 关键。通常选择多项式作为位移模溅，其原因是多项式的数学运算比较方便，并 且由予孵有爨数貔搿郏邦霹以蹋多项斌滠近。黧予多项式雏颈数和阶次豹滚撵， 爨4 要考虑到单元的自由度和解的收敛挂要求，一般来说，多项式的顼数威等于攀 元的鑫由度数，它的除次皮包食常数矮秘线谯域簿。 穰攥选定熬整移模式，帮鼙罨寝擎元霞移岛繁煮整移关系式翔下； ， 一【帮静 t ( 2 一i ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中： ， 单元内任一点的位移列阵； 6 单元的节点位移列阵； 卜一单元位移模式矩阵。 单元应变分析 出上式( 2 - i ) 可导出节点位移表示的单元应变关系式： 小嚣 。 ( 2 2 ) 式中： # 单元内任一点的应变阵列； 陋 单元应变矩阵，p 】一 。； 单元应力分板 利用式( 2 - 2 ) 可以导出节点位移表示的单元应交关系式： o r = d 。 ( 2 3 ) 式中：盯卜一举元内任一点的应力列阵； d 卜一与单元有关的弹性矩阵； 单元刚度矩阵与单元平衡方程 【岸卜胍b n d p 捌纰 ( 2 4 ) 式中：k ? 单元剐度矩阵。 导出单元刚度矩阵是单元特性分析的核心内容。 利用最少势能原理，导出单元平衡方程： f 。一暇rp 。 ( 2 5 ) 式中： f r 等效节点力。 ( 3 ) 撼体分析 即在单元分析的基础上，建立系统总势能计算公式，应用最小势能原理建立 有限元蒸本方程：弓l 入位移边雾条传；求解弹憔髂的有限元方程，辫出全部节点 位移，最后逐个计算单元的应力。 建立熊体有限元方程 这一过程包括两方碾的内容：一是将各个单冤的冈g 度矩降，组集成整体刚度 矩阵；二是将作用予备单元的等效节点力阵列，缀集成慧豹载菏阵列。 最常用的组集刚度矩阵的方法是直接鞲h 度法，即要求所有相邻的单元在公共 节点处的位移相等。 褥到有限元基本方程： k 摊) - i f ) ( 2 6 ) 引入边界条件，求解未知节点能穆和计算单元应力 利用式( 2 6 ) w 解出未知位移，再利用式( 2 3 ) 可计算各单元的应力，并 加以整理求得新要求豹结果。 1 6 武汉理王太学礤士学位论文 2 。窆，窆翊s y s 较籍翕绍 a n s y s 是燕子诗篝撬辘饕王程懿窝隈元努辑程露，该器旁是一个臻靛强大灵 溪煞设诗努褥及霞毽鞍转憝，窀罐程大多数诗冀辍爱撵孬系绕土运行，宅熬交辞 露在其掰有熬产菇系羁窝工捧平台上簸容，在踅羲上纛藏熬模型嚣群霹