85Cr18Mo2V柴油機進氣門力學模型的建立及有限元分析*

胡 巍

（湖南財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421001）

隨著技術的進步，柴油機的工作強度越來越大，因此，對其工作部件的要求也越來越高。氣門作為發(fā)動機的關鍵部件，其能夠正常穩(wěn)定工作尤為重要。目前，氣門斷裂失效的問題比較突出，其失效很可能會導致發(fā)動機大修甚至是報廢，給用戶造成重大損失，同時也影響了企業(yè)聲譽。氣門頸部斷裂是比較常見的失效方式，氣門頸部存在過渡圓弧，容易造成局部應力集中，因此，合理的頸部結構是保障氣門優(yōu)秀質量的必要前提。利用有限元軟件Abaqus對氣門工況進行模擬，探究頸部應力集中程度及應力分布情況，進而為氣門失效分析及結構參數(shù)優(yōu)化提供參考，就顯得十分必要[1-3]。

1 整體分析思路

進氣門工作狀況有限元分析思路，如圖1所示。

圖1 整體分析思路

2 有限元模型的建立

2.1 氣門盤部熱-應力耦合分析理論基礎

耦合分析是指考慮了兩種或兩種以上物理場的交叉作用和相互影響的有限元分析。比如壓電分析考慮電場與結構的相互作用。又如熱-應力分析，是根據(jù)物體的熱脹冷縮原理，由于溫度分布不均，通過計算可以得到結構中的熱應力。其他的耦合分析還有流體-結構耦合分析、熱-電分析、磁-熱耦合分析等[4]。

耦合分析的方法具體可以歸納為兩種：直接耦合法和順序耦合法。

2.1.1 直接耦合法

直接耦合解法不需要分步設置求解，只要通過一次參數(shù)設置，使幾個過程同時進行，直接得出耦合分析結果。在這種情形下，耦合實際上就是要得到必要物理量的單元矩陣或載荷向量。比如在壓電分析中，常用的單元有SOLID98、PLANE13等。

2.1.2 順序耦合法

順序耦合方法就是按一定的順序對不同物理場進行分步求解，前者分析得到的結果可以作為后者的載荷，通過如此方式進行耦合。熱-應力耦合分析是最常見的順序耦合的例子，先通過熱分析得到各節(jié)點溫度，在后續(xù)的結構分析中把節(jié)點溫度作為載荷與其他載荷一道施加到模型上，求解得到應力分布的結果。

2.1.3 直接法與順序法應用的場合

順序耦合與直接耦合各有優(yōu)勢，因此要求不一樣，選擇的方法也不盡相同，順序耦合適應于相互作用非線性程度不是很高的耦合，相互耦合的兩個物理場之間可以獨立求解，求解起來也更靈活，更有效。在本例熱-應力耦合分析中，選擇的是順序耦合法，首先進行非線性穩(wěn)態(tài)熱分析，得到模型節(jié)點溫度分布，然后把節(jié)點溫度作為載荷與其他載荷一道施加到模型上，進行線性靜力分析。相互耦合的兩個過程可以交替進行，直到結果收斂到所需精度為止。

直接耦合應用在相互作用非線性程度較高的耦合分析中，僅通過一次分析就能求解得到結果。因此，不需要為不同的物理場分別選擇單元，有專門的單元可供選擇，如壓電分析的SOLID98、PLANE13，MEMS分析的TRANS126等。直接耦合的例子還有關于流體流動的傳熱分析和電路電磁分析。本文采用順序耦合法。

2.2 三維模型的建立

首先利用SolidWorks建立進氣門三維模型，該失效試驗樣品尺寸參數(shù)如圖2所示，其盤部外圓直徑的尺寸為?55 mm，過渡圓弧尺寸R為15 mm，過渡錐角為15°。依照尺寸圖建立三維模型，如圖3所示。

圖2 進氣門的尺寸參數(shù)

圖3 進氣門三維模型

2.3 網(wǎng)格的劃分

將建立的三維模型以IGS格式保存，并將其導入到Abaqus中，為了簡化分析，這里只考慮背錐角和過渡圓弧半徑對頸部結構的影響。劃分網(wǎng)格前需要對模型單元進行設置，選擇單元類型時需要針對氣門的實際情況進行選擇，由于氣門屬于回旋對稱結構，為了計算更加精確，可以選擇二次單元DC3D20和C3D20R。DC3D20是三維20節(jié)點線性傳熱六面體單元，每個單元都有各自的溫度自由度，20個節(jié)點組成的單元具有相對較完整的溫度形狀，適用于邊界為曲線的模型，可以應用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。C3D20R是三維20節(jié)點線性六面體實體單元，是C3D8R的高階形式，在計算時，允許不規(guī)則的形狀存在，該單元同樣具有20個節(jié)點。因此，出現(xiàn)形狀偏移時，其兼容性好，每個節(jié)點存在三個位移自由度（x，y，z），適合曲線邊界的模型，此外，本單元可以發(fā)生塑變、大應變、應力剛化、蠕變、大變形[5]。首先要進行熱分析，因此選擇DC3D20單元，為了提高計算精度，模型網(wǎng)格用Hypermesh進行劃分，由于氣門是對稱結構，設置粗糙程度為6，單元尺寸為0.5，單元形狀為六面體，選擇自底向上的網(wǎng)格劃分技術，這里采用掃掠網(wǎng)格劃分的方法。網(wǎng)格劃分結果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結果

2.4 熱分析

由于熱-應力耦合是非線性程度不是很高的耦合，相互耦合的兩個物理場之間可以獨立求解，故本例采用間接耦合法。先進行穩(wěn)態(tài)熱分析，在分析步中新建穩(wěn)態(tài)熱分析，得到其傳熱的溫度分布，然后再進行結構分析，把熱分析得到的結果作為結構分析的載荷進行添加，最終計算出結果[6]。

1）氣門材料參數(shù)的設置。本文所研究的是85Cr18Mo2V進氣門，其材料性能參數(shù)為彈性模量226 GPa，密度7.7 g/cm3，泊松比0.3，比熱容500 J/（kg·K），熱傳導系數(shù)21 W/（m2·℃），如圖5所示。

圖5 材料性能參數(shù)

2）按照第三類邊界條件，對模型與周圍的表面換熱系數(shù)H和流體溫度T進行設置。經(jīng)驗公式[7-8]如下：

根據(jù)經(jīng)驗公式以及發(fā)動機實際參數(shù)，并根據(jù)該柴油機的實際工況可得到其進氣門的傳熱邊界，如表1所示。

表1 進氣門熱邊界條件

3）由上述求解，得到進氣門穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖6所示。由分析結果可知，達到穩(wěn)態(tài)后，進氣門盤部與頸部的過渡區(qū)溫度最高，達到714.87 ℃，氣門桿的溫度最低，只有160 ℃，同時，可以看出氣門不同部分溫度分布差異比較明顯。溫度過高容易導致氣門燒蝕，在落座力的沖擊下也會出現(xiàn)斷裂失效；溫度過高同樣會致使錐面磨損嚴重，氣門的密封性變差，最終導致發(fā)動機不能正常工作。從溫度分布的結果來看，氣門錐面的溫度小于最高溫度，是因為氣門座帶走了部分熱量。

圖6 進氣門穩(wěn)態(tài)溫度分布

2.5 耦合分析

2.5.1 網(wǎng)格劃分

在分析步中建立結構分，設置網(wǎng)格屬性時選擇C3D20R單元，其他設置與熱分析相同。

2.5.2 材料參數(shù)

材料屬性設置與熱分析相同。

2.5.3 邊界條件的設定

一般認為氣門在落座時，氣門盤部處于理想彈性狀態(tài)，因此盤部只有徑向位移，沒有軸向位移，故需要對錐面進行Y方向的位移約束。而氣門鎖夾槽受到夾具的作用，故其只有軸向位移，鎖夾槽X、Z方向上的位移設置為0。由于受到氣門座圈的作用，因此對氣門座與氣門座圈的接觸面Y方向的位移進行約束。發(fā)動機工作時，氣門彈簧座通過鎖夾把氣門桿鎖住，此時，氣門只有軸向位移，同時要對氣門鎖夾與氣門桿的接觸面進行X、Z方向位移約束[9-10]。

2.5.4 載荷的加載

發(fā)動機進氣門與排氣門處于不同的工況下，進氣門受到的溫度壓力工況比排氣門復雜[2]。氣門落座時受到的沖擊載荷比較大，其受力狀態(tài)如圖7所示，氣門落座力的計算公式如下：

圖7 氣門落座狀態(tài)受力分析

其中，M為氣門等效質量；C為摩擦阻尼系數(shù)；K為氣門彈簧剛度；F0為氣門預緊力。

根據(jù)式（3）得到氣門落座力FN＝2 664 N，氣門關閉時，氣門盤部受到燃氣的壓力P＝15 MPa，假設盤部端面上的氣壓均勻分布。由于整個鎖夾槽曲面并不都是接觸區(qū)域，氣門鎖夾與氣門鎖夾槽的實際接觸面積大約是鎖夾槽曲面面積的0.4倍，因此，設定接觸比例因子為0.4，預緊力作用在0.4倍的鎖夾曲面上。其彈簧預緊力FS＝507 N。

2.5.5 溫度載荷的添加

把熱分析得到的結果作為載荷添加到模型，最后進行求解，分析流程如圖8所示。

圖8 氣門盤部熱-應力耦合分析流程

3 有限元結果分析

通過后處理可得到進氣門頸部熱-應力耦合分析結果。氣門等效應力分布云圖如圖9所示，可以得到其鎖夾處以及頸部盤部過渡處應力最大，下文對氣門應力分布規(guī)律進行詳細分析。

圖9 氣門等效應力分布云圖

氣門應力沿軸向變化曲線圖如圖10所示，其中X軸的值為軸向尺寸，Y軸的值為應力大小，可以發(fā)現(xiàn)：氣門鎖夾槽處以及頸部與盤部過渡處都發(fā)生了應力的突變，也是應力最大的地方，而中間的桿部應力基本上沒有變化，突變十分明顯；由于受到落座沖擊載荷即燃氣壓力、預緊力和氣門落座力的影響，氣門表面應力由起初的壓應力變成了拉應力，而且隨著軸向尺寸的變化，在鎖夾槽處應力達到了最大值。可以推斷出：氣門盤部與頸部的過渡區(qū)域是發(fā)生疲勞失效可能性比較大的區(qū)域，因此，有必要對該位置進行應力分析。

圖10 氣門應力沿軸向變化曲線圖

氣門盤部應力沿徑向變化曲線圖如圖11所示，X軸的值為盤部徑向尺寸，Y軸的值為應力大小，在盤部邊緣也發(fā)生了應力的突變，這是由于氣門落座力的影響，在氣門盤部邊緣應力達到最小。因此，氣門盤部失效的主要原因是受到周向應力的作用，且在高速、高頻率、高熱以及交變拉壓應力的沖擊下，在應力集中的區(qū)域常常出現(xiàn)點蝕破壞。

圖11 氣門盤部應力沿徑向變化曲線圖

4 小結

為了探究進氣門失效的原因，筆者利用SolidWorks軟件建立進氣門的三維模型，將模型導入到Abaqus中進行熱力耦合仿真分析，得到了溫度和應力的分析結果：1）進氣門盤部與頸部的過渡區(qū)溫度最高，達到714.87 ℃，氣門桿的溫度最低，只有160 ℃，同時，氣門不同部分溫度分布差異比較明顯；2）氣門盤部與頸部的過渡區(qū)域是發(fā)生疲勞失效可能性比較大的區(qū)域，因此，有必要對該位置進行應力分析；3）由于氣門落座力的影響，在氣門盤部邊緣應力達到最小。因此，氣門盤部失效的主要原因是受到周向應力的作用，且在高速、高頻率、高熱以及交變拉壓應力的沖擊下，在應力集中的區(qū)域常常出現(xiàn)點蝕破壞。通過對以上結果的分析，為后續(xù)進氣門失效分析以及結構參數(shù)優(yōu)化提供參考。