（车辆工程专业论文）电磁驱动气门的有限元分析.pdf

硕士论文 摘要 随着能源形势的急剧变化和环境污染问题的日益严重，国际社会对汽车发动机的燃 油经济性要求和有害排放物的限制标准日益严格。可变配气技术，特别是应用电磁驱动 气门的可变配气技术，可以显著提高发动机的节能环保性能，已经成为发动机研究的重 点方向之一。 本课题针对内燃一直线发电集成动力系统中自由活塞发动机的电磁驱动气门，运用 有限元仿真方法，对其特性展开分析研究，主要完成了下述工作：。 对气门进行了有限元建模与静力学仿真，探索分析了气门所能承受的最大载荷，并 得到了气门的应力分布，为气门的设计选用提供了参考依据； 建立了完整的气门一气门座模型，通过动力学仿真分析了气门在不同落座速度下的 所承受的冲击力，获得的冲击力数据对于电磁驱动气门开发具有重要价值； 设计了一种电磁驱动气门落座冲击缓冲结构，并通过动力学仿真和结果数据的处理 分析，证明了缓冲结构吸收冲击能量、降低冲击力的有效性； 分析了电磁驱动气门执行器中各构件能够正常工作的温度区域，完成了对电磁驱动 气门执行器的温度场分析，研究了不同工况下执行器中的温度分布情况； 针对电磁驱动气门执行器进行了温度测试台架试验，并设计了电磁驱动气门落座冲 击力测试试验方案。 关键词：发动机，电磁驱动气门，可变配气技术，有限元分析，缓冲结构设计 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r i m n e s so ft h er e s o u r c ea n dt h ei n c r e a s i n gs t r i c t n e s so ft h ep o l l u t i o np r o b l e m s ， t h ed e m a n d i n go ft h ee n g i n ef u e le c o n o m ya n dt h ee m i s s i o n sc r i t e r i o ni si n c r e a s i n g v a r i a b l e v a l v et e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h a tw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea c t u a t o r ( e m v a ) ，c 孤 i m p r o v et h ee n g i n ep e r f o r m a n c e se x t r a o r d i n a r i l y , a n dh a v eb e c o m eo n eo ft h ee m p h a s i so f t h e e n g i n er e s e a r c h d e p e n d i n go nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fe m v a ，w h i c hi sak e yc o m p o n e n to ft h ef r e e - p i s t o ne n g i n ei nt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n l i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m ( i c l g ) t h i sp a p e rm a i n l yh a st h ef o l l o w i n g r e s e a r c hw o r kd o n e t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fe m v aw a se s t a b l i s h e da n di t ss t a t i ca n a l y s i sw a sc a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，t h em a x i m u mf o r c et h a tt h ev a l v ec a ne n d u r ew a sr e s e a r c h e d ，a n d t h ed i s t r i b u t i o no ft h ev a l v es t r e s sw a sa c q u i r e d t h er e s u l t so ft h i sa n a l y s i sc a no f f e ra r e f e r e n c et ot h ev a l v ed e s i g n i n go rc h o o s i n g t h ew h o l em o d e lo fv a l v e v a l v es e a t i n gw a se s t a b l i s h e d ，t h ec r a s hf o r c eo c c u r r e dw h e n e m v ah i tt h es e a ta tk i n d so fs p e e dw a sr e s e a r c h e db yt h ed y n a m i cs i m u l a t i o nw a y , a n dt h e c r a s hf o r c ed a t et h a tw a sv e r yv a l u a b l et ot h ed e v e l o p m e n to fe m v aw a sa c q u i r e d o n ek i n do fc r a s hb u f f e rs t r u c t u r ew a sd e s i g n e df o re m v a ，i t sp e r f o r m a n c ei n c l u d i n g a b s o r b i n gt h ec r a s he n e r g ya n dd e c r e a s i n gt h ec r a s hf o r c ew a sp r o v e db yt h ed y n a m i c s i m u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h es i m u l a t i o nr e s u l td a t aw a y t h et h e r m a la n a l y s i sa b o u tt h ea c t u a t o ro fe m v aw a sd o n e ；t h et e m p e r a t u r ef i e l do nt h e a c t u a t o rw a sr e s e a r c h e da td i f f e r e n tc o n d i t i o n s i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h eb e n c h t e s tw a sm a d et ot e s tt h et e m p e r a t u r eo ft h ea c t u a t o r , a n dt h eb e n c ht e s ts c h e m ew a sm a d et o t e s tt h ec r a s hf o r c ei ne m v a w o r k i n gp r o c e s s k e yw o r d ：e n g i n e ，e m v a ，v a r i a b l ev a l v et e c h n o l o g y , f e a ，i m p a c td a m p e rd e s i g n l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：铷 年概彳日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签 1 年挑汨 硕士论文 电磁驱动气门的有限元分析 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题的研究背景 随着能源形势的急剧变化和污染问题的日益严重，全球能源问题和汽车排放问题越 来越受到国际社会的广泛关注。在能源和环保的双重压力下，人们致力于发动机技术的 改革和创新。一方面积极寻求常规发动机的技术改进，希望能改善发动机性能，提高其 热效率和降低有害物的排放，以适应能源结构的变化和满足日益严格的排放标准另一方 面不断探索新燃料、新能源和新动力，努力开发新型发动机，达到节能、环保的目的。 发动机的配气相位直接影响着发动机的进排气性能，对燃烧过程的好坏起着至关重 要的作用，一直以来都是发动机开发设计者们的重点研究的内容。配气相位的选择l lj 要 考虑到发动机的高速功率、低速扭矩、怠速油耗、部分负荷下的燃油经济性、低速平稳 性和废气排放等问题。为了获得较好的发动机性能，配气相位应随着转速和负荷的变化 而变化。发动机在高速和大负荷下需要较大的气门叠开角，以便得到较高的功率输出： 反之，在怠速和低速小负荷下则需要较小的气门叠开角，以便得到较好的怠速平稳性和 较低的废气排放。而常规发动机广泛采用的机械式凸轮配气机构虽然有着稳定可靠的工 作性能，但是其配气相位是固定不变的，其配气定时是由凸轮型线和凸轮轴相角决定的， 气门的开启关闭时间、持续周期和气门升程都是不可变的。在设计中，需要根据燃油经 济性、排放和最大输出转矩来合理地确定配气定时，设计凸轮型线。但是凸轮型线的优 化设计只是针对发动机常用工况的小转速范围之内，不能兼顾其它各种工况燃油经济性 和排放性能的要求。传统的机械式凸轮配气机构的配气相位是通过各种不同的配气相位 试验，而选取的折衷方案，不能充分发挥发动机的性能潜力，其缺点日加明显。 相比之下，可变配气相位则可以在发动机整个工作范围内的转速和负荷下，提供合 适的气门开启、关闭时刻或升程，从而改善发动机进、排气性能，较好的满足发动机在高 转速与低转速、大负荷与小负荷时动力性、经济性和低排放的要求【2 】 3 1 。因此可变气门 驱动技术以其能够提高发动机的综合性能的显著特点，已成为发动机研究重点方向之 一。按照驱动方式来看，目前对可变气门技术的研究又可分为凸轮驱动可变气门和无凸 轮驱动可变气门。凸轮驱动方式可变配气机构主要通过改变凸轮型线、凸轮轴相位和凸 轮轴和气门之间从动件的运动规律来改变配气定时或气门升程。虽然在一定程度上优化 了配气定时和气门升程，改善了发动机燃油经济性和排放性能，但是这些调节仍然是仅 满足部分工况下的，并没有满足发动机全工况最佳的工作要求。为了灵活地改变气门的 运动参数，实现发动机在各工况下能够以最佳参数运行，国内外一些研究机构开始致力 i 绪论硕士论文 于无凸轮驱动可变配气技术的研究。 无凸轮驱动可变配气机构【3 】取消了传统发动机配气机构中的凸轮轴及其从动件，而 以电磁、电液、电气或其他方式直接驱动气门。其优点是能对配气定时的所有因素进行 控制，在各种工况下获得最佳配气定时。无凸轮可变配气机构可以减小发动机的泵气损 失，加快进气速度，改善混合气质量，改变残余废气系数，提高进气效率，最终改善发 动机的燃烧过程，使发动机的动力性、经济性、排放性以及响应性能得到提高。另外， 还能关闭部分气缸的气门，实现可变排量，更重要的电磁驱动气门的出现可以进一步取 消节气门，通过配气定时来调节进气充量的多少，从而显著减少部分负荷工况下的泵气 损失，提高发动机的效率。电磁驱动气门作为一种电控电驱无凸轮可变气门配气机构更 因为其相对结构简单、控制灵活等优点而尤为受到国内外研究院所的青睐。 作为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题( 2 0 0 6 a a 0 5 2 2 3 6 ) 内燃一直线发电集成 动力系统【4 】【5 j ( i n t e r n a lc o m b u s t i o nl i n e a rg e n e r a t o ri n t e g r a t e dp o w e rs y s t e m i c l g ) 综合应用了是现代电子技术、控制技术及内燃机技术，其基本结构如图1 1 所示。 图1 1 内燃直线发电集成动力系统结构 内燃一直线发电集成动力系统是由自由活塞发动机、直线电机两部分组成。自由活 塞发动机取消了曲柄连杆机构，活塞与缸体间无侧向力，减小了摩擦，机械效率高；通 过减少能量传递与转换的环节，优化内燃机的热力循环与运转工况，并可能使用多种不 同燃料，因而有望发展成为新一代的节能、环保性能优良的新型发动机。 自由活塞发动机取消了曲轴，无法通过曲轴运动带动凸轮驱动气门完成配气功能， 因此设计研发了新型的电磁驱动气门配气机构，在各种工况下通过电控实现最优的配气 定时，以保证内燃直线发电集成动力系统正常工作，并达到最佳性能。 1 1 2 课题的研究意义 本课题研究的电磁驱动气门是一个全新的机构，是内燃直线发电集成动力系统中 自由活塞发动机的重要组成部分，对其开展的相关探索性研究，可以为电磁驱动气门机 构进一步的优化设计( 减重等) 以及控制( 落座速度、高响应性等) 打下良好的基础， 有利于整个内燃一直线发电集成动力系统的研发工作的顺利开展。 另外，随着燃油喷射系统和点火系统的逐渐电控化，电控气门机构取代机械式的配 气机构已经成为一种趋势。得到了众多科研机构的广泛关注的电磁驱动气门以其独特的 优势【l 引，今后将可能进一步应用于常规发动机中，显著提高常规发动机的节能环保性能。 2 硕士论文电磁驱动气门的有限元分析 因此本课题关于电磁驱动气门进行的特性研究，无论是对于内燃一直线发电集成动 力系统研发，还是对于其将来可能在常规发动机中的实际应用都提供了基础性的研究工 作，具有实际的参考价值。 1 2 关于电磁驱动气门的国内外研究现状 电磁驱动气f - j ( e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea c t u a t o r ，简称为e m v a ) 通过灵活的改变气门 参数使发动机性能在不同工况下都得到了改善，国内外许多科研院所都致力于它的开发 和研究。e m v a 的研究大致经历了无弹簧、单弹簧、双弹簧三个阶段。早期提出的e m v a 装置或者在传统气门组件上用一个电磁阀驱动气门开启，或者采用双电磁阀驱动气门启 闭而取消了气门弹簧，均因不能满足发动机气门高速运动和能耗过大而无法实用。目前 世界为数众多的机构相继接受了双弹簧、双电磁铁的e m v a 方案，并进行了广泛研究。 在技术上较为成熟的机构有德国的f e v 公司【6 】、美国通用汽车公司 7 1 、德国西门子公司 【8 】【9 】、宝马公司【1 0 】和法国的雷诺汽车公司等。其中德国的f e v 公司的e m v a 方案，美 国通用汽车等公司的e m v a 方案较有代表性。下面部分方案进行说明和比较。 f e v 公司【4 】的电磁驱动气门装置如图1 2 。其装置特点是双弹簧分别放在上下静铁 芯的上面和下面，静铁芯外型近似为长方体，衔铁形状为长方形，并装有液力间隙调节 器。据报道，此装置能使汽油机在6 5 0 0 r m i n 下工作，其过渡过程时间为3 m s ，气门落 座速度为0 1m s 。在发动机的每个循环中，每个气门所消耗的能量大小大约为1 焦耳， 这个能量的消耗取决于气门的大小、发动机效率等发动机设计参数。采用e m v a 的汽 油机，根据新欧洲运行循环标准( n e we u r o p e a nd r i v i n gc y c l e ，简称n e d c ) ，油耗可降 低1 6 ，在冷启动和怠速时h c 排放比传统发动机减少5 0 ，冷启动时c o 排放甚至比 e u i v 标准还低5 0 n o x 排放可减少4 0 - 6 0 。 i 下弹簧 气门 图1 2 f e v 公司的e m v a 装置 3 1 绪论 硕士论文 通用汽车公司【6 】的e m v a 装置的工作原理和组成与f e v 公司的e m v a 有所不同。 其e m v a 装置的剖面图如图1 3 所示，此装置由两个电磁铁、一个柱塞状衔铁、一块环 形永磁体、两个弹簧和一个气门组成，永磁体位于两个电磁铁中间。当气门位于两个极 限位置( 全开和关闭) 时，线圈a ，b 均不通电，永磁铁产生的电磁力克服弹簧力使气门保 持在极限位置。当气门要开启时，线圈a 通电，电磁铁产生的磁场的磁通量和永磁体磁 场的磁通量方向相反，削弱了永磁体产生的磁场，使得磁力小于弹簧力，衔铁在弹簧力 的驱动下向下运动。当衔铁越过中点后，磁力大于弹簧力，衔铁在磁力的驱动下继续向 下运动，直至气门关闭，然后线圈a 断电。当气门要关闭时，线圈b 通电，运动原理 与要开启时一样，当气门关闭时，线圈b 断电。 图1 3 通用汽车公司的e m v a 装置 在国内，目前有清华大学和浙江大学对e m v a 设计出了原理性样机，并进行了探 索性的试验研究【1 1 】【1 2 】。清华大学设计的e m v a 装置如图1 4 所示，其结构类似于 a u r a s y s t e m s 公司设计的e m v a ，其静铁芯外形为柱状，衔铁为圆盘形，双弹簧放置在 静铁芯中间，目前已经进行了电磁铁静吸力特性与动态特性试验等 4 关 关 开 开 图1 4 清华大学研究的e m v a 装置 e m v a 的优势：e m v a 除了和其它可变气门驱动机构一样，能使发动机在改善怠速 硕士论文电磁驱动气门的有限元分析 稳定性、增加低速下外特性转矩、改善部分负荷燃油经济性及降低有害排放等方面还具 有下列优点【1 3 】 1 4 】。 ( 1 ) 能灵活单独地控制进、排气门开启及关闭共四个定时中的任一定时及气门开启 延续时间，使发动机每一工况的这些参数都符合最佳性能要求；而一般有凸轮轴的可变 定时机构的配气定时及气门开启延续时间只能按照驱动机构的运动学关系同时变化而 不能独立地变化，所以电磁气门驱动可使发动机的潜力得到更好的发挥。 ( 2 ) 极大地简化了发动机的结构，取消了发动机传统气门机构中的凸轮轴、挺柱、 摇臂、液压间隙调节器等驱动件，降低了材料消耗和制造成本。 ( 3 ) 具有能耗低的特点，其中弹簧是储能元件，电磁铁起控制气门运动和补偿因摩 擦、阻尼消耗能量的作用。合理的设计可使电磁气门驱动功率消耗大大小于传统气门机 构的驱动功率损失，因此在改善发动机燃油经济性方面电磁气门驱动具有特殊的优势。 ( 4 ) 利用电磁力驱动发动机气门，全部采用固态开关电子元器件实现电子控制，有 利于能量的快速输入，提高系统的动态响应速度。 ( 5 ) 气门可以根据燃烧室的型式来布置，气门布置的灵活性甚至可能导致设计出新 的更有利于发动机工作的燃烧室型式。 ( 6 ) 在部分负荷工况可以方便地有选择地将某些气缸关闭，降低油耗，而且为了使 各缸工作温度均匀，降低排放，可以实现依次闭缸。 e m v a 存在的问题【1 4 】：从理论上说，电磁气门驱动控制方便，结构较为简单，是最 容易实现的无凸轮轴气门驱动方式。它的主要问题是气门软着陆，电磁响应速度不够高， 能量消耗及尺寸过大。气门软着陆是指将气门落座速度控制在一个可以接受的范围内 ( 小于0 1 m s ) ，否则就会产生冲击和噪声，降低气门及其座圈的使用寿命。在凸轮驱动 的气门机构中，气门落座速度是由凸轮型线的过渡段控制的，而在电磁驱动气门机构中， 气门接近于落座( 电磁铁工作气隙小于1 r a m ) 时的运动速度主要由电磁力和弹簧力共同 作用。软着陆的难点【l5 】在于关键是要控制气门落座过程中电流和电磁力的变化。 ( 1 ) 汽油发动机转速很高，气门开启持续的时间极短。假设发动机最高转速为 6 0 0 0 r m i n ，气门开启持续时间相当于6 9 4 m s ，则气门从关闭到全开( 或全开到关闭) 的单 程作用时间不能超过3 4 7 m s 。显然用于软着陆控制的时间只能是零点几毫秒，加之电磁 铁线圈电路是电感电路，其时间常数也是毫秒级的，因而要对线圈电流和电磁力实现快 速控制很难。 ( 2 ) 气门运动还会受到外界因素的干扰，如发动机振动、缸内压力和气流变化、阻 尼变化等等，变化的外界干扰也增大了控制的难度。 气门驱动要求电磁阀做到高速、强力、大行程并且体积足够小，而要同时完全满足 这四方面的要求是很困难的。在电磁驱动装置满足气门升程的情况下，又要求它具有足 够高的响应速度( 在最高转速时发动机能正常工作) ，就必须增大弹簧刚度和预紧力，以 5 1 绪论硕士论文 提高弹簧质量阻尼系统的振动频率。这又要求电磁驱动装置在初始化时有足够大的电 磁力使气门就位，在气门关闭和最大开启位置有能克服弹簧力的较大的电磁力使气门保 持在两个极限位置。这样就得加大电磁驱动气门机构的尺寸和电能消耗，使得电磁驱动 气门机构在气缸盖上难于布置，并有可能将消耗的能量抵消了发动机在节约能耗方面所 能获得的好处。电磁驱动气门机构在响应速度、尺寸和能耗方面的矛盾还需要通过不断 的研究探索，以寻求合理的方式得到解决。 1 3 课题研究内容及研究方法 1 3 1 课题的研究内容 电磁驱动气门是一个全新的机构，对其进行的开发研究可参考的现有资料少，且电 磁驱动气门工况复杂，这都给电磁驱动气门分析研究带来了很大的困难，所以本课题也 仅是在通过建立一个合理的分析模型的基础上，得出合理的仿真分析方案，对电磁驱动 气门特性进行研究，并结合相关的试验来验证和优化有限元的仿真结果，为课题的进一 步深入研究提供可参考的数据。 本课题总结前人在相关领域的研究经验，以内燃一直线发电集成动力系统中的电磁 驱动气门作为基本研究对象，将着重研究以下几个问题： ( 1 ) 电磁驱动气门的静力分析：主要探索分析电磁驱动气门能够承受的静力最大载 荷，以及在最大载荷下的气门上的应力应变情况。 ( 2 ) 电磁驱动气门的动力学分析：主要研究电磁驱动气门以不同的速度落座时，受 到落座冲击力，以及具体的应力应变分布情况。 ( 3 ) 电磁驱动气门的缓冲结构设计：设计落座缓冲结构，并计算比较在加装落座缓 冲装置和无落座缓冲装置不同的工况下时，气门所受落座冲击力的变化，验证缓冲结构 的设计目的。 ( 4 ) 电磁驱动气门执行器的温度场分析：主要研究电磁驱动气门在不同的驱动条件 下，载流线圈发热，以及整个电磁驱动气门执行器的温度分布情况。 1 3 2 课题的研究方法 本课题所采用的研究方法包括以下几点： ( 1 ) 根据电磁气门结构实际尺寸，利用大型三维绘图软件c a t i a 建立其精确三维模 型，建模对象包括电磁线圈、落座缓冲结构、气门和气门座等各部件。 ( 2 ) 计算机技术的飞速进步和有限元的发展，特别是大型有限元分析软件的出现， 已经允许研究人员运用计算机来仿真和模拟试验【1 6 】。本课题在电磁驱动气门的研究中， 也将运用相关仿真软件，对其特性进行系统的有限元仿真分析。 对几何模型进行适当的简化，采用a n s y s 软件，选用合适的单元对电磁驱动气门 6 硕士论文 电磁驱动气门的有限元分析 结构建立静力分析有限元模型，并对电磁驱动气门执行器建立完善的热分析模型，分别 进行有限元仿真分析。 采用l s d y n a 软件，建立电磁驱动气门一气门座较精确的模型，选择适当的工况， 施加载荷和约束，对电磁驱动气门一气门座进行落座冲击动力分析，并在各工况下分析 比较模型中有、无缓冲装置时的气门落座所受冲击情况，已验证缓冲结构设计的有效性。 ( 3 ) 采用试验测试，用真实的数据来验证仿真的正确性和可行性。比较试验和仿真 的差异，借助试验实际测试的结果指导仿真计算，使仿真和试验优势互补，为电磁驱动 气门的进一步研究提供有价值的参考数据。 7 2 电磁驱动气门的有限元静力分析硕士论文 2 电磁驱动气门的有限元静力分析 2 1 有限元法基本理论及分析软件简介 2 1 1 有限元法原理简介 有限元法的基本思路是通过连续体离散化的方法，把一个弹性连续体划分为有限大 小的、彼此只在有限个点连接的有限单元组合体来研究，寻求适应控制方程并满足边界 条件和连续条件的有效值方法【1 6 1 ，它是随着计算机技术的发展而出现的一种根据变分 原理求解数学物理问题的数值计算方法。 有限元法的基本思想【1 6 】可归纳如下：首先将表示结构的连续体离散为若干个子域 ( 单元) ，单元之间通过其边界上的节点相连接成组合体，然后用每个单元内所假设的近 似函数分片地表示全求解域内待求的未知场变量，每个单元内的近似函数用未知场变量 函数在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数表示。由于在连接相邻单元的节点 上，场变量函数具有相同的数值，因而将它们用作数值求解的基本未知量，并且将求解 原函数的无穷多自由度问题转化为求解场变量函数节点值的有限自由度问题，最后利用 和原问题数学模型等效的变分原理或加权余量法，建立场变量的代数方程组或常微分方 程组，再应用数值方法求解问题的精确解。 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的数值计算方法，是工程问题和数学方 法相结合的产物，可以求解许多过去解析法无法求解的问题。对于边界条件和结构形状 都很不规则的复杂机械结构，有限元法是一种非常有效的现代分析方法，这种方法灵活 性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的 解。有限元方法形态丰富，理论基础完善，国外研究机构己经开发出一批通用有限元分 析软件，包括a n s y s 、n a s t r a n 等，这些软件可以解决工程领域众多的大型科学和 计算难题。有限元计算结果己成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。 有限元法最初是在上个世纪5 0 年代作为处理固体力学问题的方法出现的，近几十年 来随着计算机的发展而发展成为用于各种结构分析的数值计算方法【3 】。它将连续的求解 域离散为由有限个单元组成的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。因为单 元本身可以有不同的几何形状，且单元间能够按各种不同的联结方式组合在一起，所以 这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。有限元法另一重要步骤是利用在每 一单元内假设的近似函数来表示全求解域上未知场函数。单元的近似函数通常由未知场 函数在各个单元节点上的函数值以及单元插值函数表达，因此，在一个问题的有限元分 析中，未知场函数的节点值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题化为 离散的有限自由度问题。这些节点未知量一经求出，就可利用插值函数确定单元组合体 上的场函数。 硕士论文电磁驱动气门的有限元分析 有限元分析主要包括结构离散化和确定位移函数、单元特性分析、单元组集、求解 未知节点位移和计算应力等内容。 ( 1 ) 结构离散化和确定位移函数 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后 单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来，描述变形形态的需要和计算精度而定。 根据构件的几何特性、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元所组成的计算 模型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函数 ( 2 ) 单元特性分析 选择位移模式：在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择 节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量 时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应 变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的 近似函数予以描述。 分析单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等：找出单元节点力 和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方 程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本 步骤之一。 计算等效节点力：物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。 但是，对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元中去的。因而，这 种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用 等效的节点力来代替作用在单元上和力。 单元组集：利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起 来，形成整体的结构平衡方程组即整体结构的节点力与节点位移的关系。 求解未知节点位移：解有限元方程组得到节点位移时，可采用不同的计算方法得出。 在解题之前，必须对结构平衡方程进行边界条件处理，然后再解出节点位移。 计算应力：通过上述分析可以看出，有限元法的基本思想是“一分一合”，分是为 了进行单元分析，合则是对整体结构进行综合分析。 2 1 2 有限元法的特点 ( 1 ) 有限元法能够完成复杂结构的分析，它利用离散化将无限自由度的连续体力学 问题变为有限单元节点参数的计算，并将整个系统的方程转换成一组线性联立方程，从 而可以用多种方法对其求解，虽然它的解是近似的，但由于单元在空间上可以是一维、 二维或者三维的，而且每一种单元可以有不同的形状，同时各单元可以采用不同的连接 9 2 电磁驱动气门的有限元静力分析硕士论文 方式，因此适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到令人满意的精度。 ( 2 ) 对于各种物理问题的适应性。由于用单元内近似函数分片表示全求解域的未知 常函数，并为限制常函数所满足的方程形式，也未限制各个单元所对应的方程必须有相 同的形式，因此有限元法不仅适应与复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂 的材料性质问题，另外还可解决非均值连续介质的问题。 ( 3 ) 计算结果的可靠性。因为用于建立有限元方程的变分原理或加权余量法在数学 上已证明是微分方程和边界条件的等效积分形式，所以只要原问题的数学模型是正确 的，同时用来求解有限元方程的数值算法是稳定可靠的，则随着单元数目的增加或者是 随着单元自由度数的增加，有限元解的近似程度不断地被改进。 ( 4 ) 易于实现计算的高效性。由于有限元分析的各个步骤可以成规范化的矩阵表达 形式，所以求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，非常便于计算机的编程和执行。 ( 5 ) 该方法能够在不同层面上得到阐释或理解。对有较深数学知识的人来说，完全 可以用数学语言来描述，并获得严格推理。而对一般人来说，也可以从物理层面上得到 理解。 2 1 3 有限元法分析流程 在有限元分析实际应用中，大量的工作是数据准备和整理计算结果【2 0 】。目前，许多 1 0 图2 1 有限元分析流程示意图 硕士论文电磁驱动气门的有限元分析 软件都提供前后处理程序，自动生成有限元模型数据( 尤其是几何数据) ，自动处理分析 结果数据并赋予图形显示。因此，有限元设计过程就是正确使用有限元分析软件的过程， 典型的流程如图2 1 所示。 2 1 4a n s y s 软件简介 a n s y s 软件【2 1 】集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体，用户涵盖 了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学 科研等众多领域，是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要平台。 a n s y s 软件的基本功能包括： ( 1 ) 结构分析 结构分析用于确定结构在载荷作用下的静、动力行为，研究结构的强度、刚度和稳 定性。a n s y s 中的结构分析包括静力分析、模态分析、谱分析、弦响应分析、瞬态动 力学分析、特征屈曲分析、显式动力学分析等。 ( 2 ) 热力学分析 热力学分析用于分析系统或部件的温度分布，以及相关的物理参数，如梯度、热流 密度等。 ( 3 ) 流体分析 流体分析用于确定流体的流动及热行为。 ( 4 ) a n s y s 电磁场分析 电磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、 涡流能耗及磁通量泄露等。 ( 5 ) 耦合场分析 耦合场分析功能用于研究两个或多个物理场之间的相互作用。当两个物理场之间相 互影响时，单独求解一个物理场得不到正确结果，因此需要将两个物理场组合到一起来 分析求解。 a n s y s 求解过程与步骤如下： ( 1 ) 前处理 前处理是a n s y s 有限元分析的基础，包括定义工作文件名、设置分析模块、定义 单元类型和选项、定义实常数、定义材料特性、建立分析几何模型和施加载荷及约束。 ( 2 ) 求解计算 用户需要根据分析类型及其涉及的理论背景，选择求解器，并设定迭代法选项、几 何非线性选项、预应力选项、收敛准则选项、重启动选项、载荷步设置、自动步长选项、 结果输出选项等。 ( 3 ) 后处理 后处理是a n s y s 有限元分析的结果显示与分析，包括从求解计算结果中读取数据、 1 1 2 电磁驱动气门的有限元静力分析硕士论文 对计算结果进行各种图形化显示、对计算结果进行列表显示和进行各种后续分析。 a n s y s 软件的功能强大和它的模块化结构是分不开的，图2 2 为a n s y s 常见的功 能模块示意图 a n s y s 的模块结构 预处理模块( p r e p 7 ) 后处理模块 优化设计模块( o p t ) 估计分析模块 ( r u n s t a t ) 其他模块( o t h e r ) 通用后处理器( p o s t l ) 器 图2 2 a n s y s 模块化结构图 a n s y s 软件的特点【2 3 1 ： ( 1 ) 数据统一。a n s y s 使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前后处 理、分析求解及多场分析的数据统一。 ( 2 ) 强大的建模能力。a n s y s 具备三维建模能力，仅靠a n s y s 的g u i ( 图形界面) 就可建立各种复杂的几何模型。 ( 3 ) 强大的求解功能。a n s y s 提供了多种求解器，用户可以根据分析要求进行合理 选择。 ( 4 ) 强大的非线性分析功能。a n s y s 具有强大的非线性分析功能，可进行几何非线 性、材料非线性及状态非线性分析。 ( 5 ) 智能网格划分。a n s y s 具有智能网格划分功能，能根据模型的特点自动生成有 限元网格。 ( 6 ) 良好的优化功能。利用a n s y s 的优化设计功能，用户可以确定最优设计方案： 利用a n s y s 的拓扑优化功能，可对模型进行外型优化，寻求物体对材料的最佳利用。 ( 7 ) 可实现多场藕合功能。a n s y s 可以实现多物理场耦合分析，研究各物理场间的 相互影响。 ( 8 ) 提供与其他程序接口。a n s y s 提供了与多数c a d 软件及有限元分析软件的接 口程序，可实现数据共享和交换。 1 2 硕论立 电砒驱动气n 的有限元分折 2 2 电磁驱动气门的有限元静力分析 2 2 1 有限元静力分析的问题简化 结构静力分析时计算结构在崮定不变的载荷作用f 的响应，它不考虑惯性和阻尼的 影响，对结构受随时间变化的载荷时的情况。但是，静力分析可以计算那些固定不变的 惯性载荷对结构的影响，以及那些可以近似为等价静山的随时间变化载荷川【2 4 】。 2 2 2 电磁驱动气门的静力分析过程 本文以内燃直线发电集成动力系统巾的电磁驱动气门( 排气门) 作为有限元分析 对象进行静力学分析，尝试寻找气门所能承受的静力作用极限，以及在各个作用力下的 应力、应变状态，具体分析过程如下。 ( 1 ) 建立静力分析模型 a n s y s 软件在建立模型的时候可以采用实体建模，即利用a n s y s 软件自带的建 模功能直接在界面操作的环境下建立实体模型。但很多时候涉及到具体的点的坐标，对 于简单的分析模型，操作很简便。但是当要建立复杂的模型时，这种方法就显得十分的 麻烦。为了方便用户，a n s y s 还为不同的用户提供了导入导出接口，利用这些接口， 用户可以在其所擅k 的c a d 系统建模，再把模型导入a n s y s 软件系统进行分析，这 样可| 三l 避免重复建模，提高了分析效率。 在对气门的静力分析过程中，考虑到气门是一个轴对称的结构，且受力条件也是轴 对称的。为了分析和求解的简便，本文采片j 轴对称的建模和加载方式直接在a n s y s 软件中建模。本文采用从低向上的方式建立轴对称的气门模型，按照气门的具体尺寸， 创建一些关键点。依次连接关键点成直线或者圆弧曲线在通过布尔运算连接这些直线 维轴对称截面模型如图2 3 所示 图2 3 气fj 二维轴对称模型 的一 气一 撇。o。ok 得一则一 状一 形一面一 平 兰 气 的想理成弧圆 2 电磁驱动气门的肯跟元静力分析硕论文 ( 2 ) 单元的选择 a n s y s 针对不同的物理问题有丰富的单元类型库町供选择，这为了解决多种问题 提供了便利。但是对于不熟悉a n s y s 的用户，单元类型选择的错误可能导致计算无法 进行或计算结果的错误。 针对一类问题一般都可以采用相同的单元类型来进行计算，这是解决了一类问题 的共性，在本模块中可以自动完成这一选择步骤，免去用户重新熟悉a n s y s 的单元库。 所以在选择单元时为了计算的精确度在生成节点和单元网格之前，必须选择合适的单 元。由于气门结构特点是轴对称结构，为了提高计算精度，这里选择p l a n e l 8 32 - d8 - n o d e s t r u c m r a ls o l i d 是二维八节点二次平面单元，如图2 4 所示。在保证精度的同时允许使 用不规则的形状，适用于曲线边界的建模，有八个节点定义，每个节点由两个自由度： 沿节点坐标系x 、y 方向的平动，单元选择方式如图25 所示。 图2 4 p l a n e l8 3 单元几何结构 图2 , 5 单元类型选择对话框 ( 3 ) 材料定义 材料常数也是影响计算结果的重要参数。不同的构件会采用不同的材料，这就要求 用户能够自己输入这些参数，并在以后的计算中使用。气门的材料参数见表21 ，参数 设置如图2 6 所示。 表2 1 气门的材料参数 硕i 论文 电磁动气门的有冗分析 闺2 6 气门材料参数设置 ( 4 ) 网格的划分 网格的划分是有限兀计算中的关键步骤，网格划分对于计算是否合理影响很大，网 格数目的多少直接影响计算的精度和复杂程度。 a n s y s 中网格划分分为曲种：自由网格划分和映射网格划分。在对网格划分之前， 对于确定采用自由网格还是映射网格进行分析更为合适是十分重要的，自由网格对于单 元形状没有跟制并且没有特别的准则。与自由嘲格相比，映射网格对包含的单元形状 有限制，而且必须满足特定规则，映射而网格只包含四边形或三角彤单元。而且，映射 网格典型具有规则形状明显成排的单元，如果想要这种m 格类型，必须将模型生成具 有一系列规j l ! | j 的面或体才能接受映劓网格划分。为了划分出合理的气门网格，将二维面 划分成如图2 3 所示的三个区域，采用自由网格划分方式。采用种静力的分析比较在 加载方式、载荷、边界条件不变的情况下，通过改变单元密度试算，比较气门的应力应 变变化情况，虽终采用一种最优的网格密度。关键部位的网格形态如图27 。 2 【几 矧27 气门两端的二维叫格 ( 5 ) 边界条件的定义和载荷加载 按照二维轴对称加载的约束方法，在对称面上只需要约束沿对称面自由度的平动 和垂直于对称面的转动。 又根据实际的气门和电磁线圈的结构，电磁线圈和气门之间是通过尾端的螺纹连接 的。所以，在气门的尾端螺纹处，约束u z ，这样就跟气门实际的 况昂为接近，气门 15 2 电碰驱动气门的有限元静力分析硕论文 约束和加载方式如图28 所示 j ，= 图2 8 气门的约束和加载方式 在气门盘锥面上加载压力( 图2 9 中箭头处所示) ，本文参照借鉴先前有关论文对传 统的气门结构落座的研究分析内容，试取一系列的加载数值。 p z f a ( 2 1 ) 该气门锥面面积a - 19 x 10 4 m 2 ，详细的加载数据如表2 2 所示。 表2 2 加载的压力数值虬及次序 f n p 胛a78 9 x 1 0 6 10 2 1 0 15 8 x 1 0 726 3 x 1 0 7 2 8 9 x 1 0 73 1 6 x 1 0 7 34 2 x 1 0 7 2 3 3 电磁驱动气门的静力分析结果 按表2 , 2 加载的顺序，得到的应力云图依次以下系列云图29 21 5 所示 ，w 图2 9 负载为1 5 0 0 n 的应力分布图21 0 负载为2 0 0 0 n 的应力分布 硕 = 论立电磁驱动气n 的有限元分析 图2 1 3 负载为5 5 0 0 n 的麻力分布 图2 1 2 负载为5 0 0 0 n 的应力分布 “。” 一兰 图2 1 4 负载为6 0 0 0 n 的席力分布 p r 圈2 1 5 负载为6 5 0 0 n 的应力分布 2 3 4 电磁驱动气门的静力分析结果讨论 比较2 33 节中七次的不司载荷值a n s y s 后处理得到的米塞思应力云图，可以得出 变化规律：虽然加载的载荷不同，但应力云图的分布区域相似。局部的典型的应力云图 如阁2 1 6 。 弱 i l 一 1 一 2 电磁驱动气j 的有m 几静力# 析 顿i 论文 仁。 i 图2 】6 气门盘面和尾部的应力分布 由233 节所列云图看出：随着落座冲击力的增大，气门上分布的最大应力在逐渐 增大。又由设计资料可知，排气门材料为5 c r 2 1 m n 9 n i 4 n ，材料的力学特性m 】。