85Cr18Mo2V柴油機(jī)進(jìn)氣門力學(xué)模型的建立及有限元分析*

胡 巍

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，柴油機(jī)的工作強(qiáng)度越來(lái)越大，因此，對(duì)其工作部件的要求也越來(lái)越高。氣門作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)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(wèn)題比較突出，其失效很可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)大修甚至是報(bào)廢，給用戶造成重大損失，同時(shí)也影響了企業(yè)聲譽(yù)。氣門頸部斷裂是比較常見的失效方式，氣門頸部存在過(guò)渡圓弧，容易造成局部應(yīng)力集中，因此，合理的頸部結(jié)構(gòu)是保障氣門優(yōu)秀質(zhì)量的必要前提。利用有限元軟件Abaqus對(duì)氣門工況進(jìn)行模擬，探究頸部應(yīng)力集中程度及應(yīng)力分布情況，進(jìn)而為氣門失效分析及結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)力耦合分析理論基礎(chǔ)

耦合分析是指考慮了兩種或兩種以上物理場(chǎng)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(chǎng)與結(jié)構(gòu)的相互作用。又如熱-應(yīng)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(guò)計(jì)算可以得到結(jié)構(gòu)中的熱應(yīng)力。其他的耦合分析還有流體-結(jié)構(gòu)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(shè)置求解，只要通過(guò)一次參數(shù)設(shè)置，使幾個(gè)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，直接得出耦合分析結(jié)果。在這種情形下，耦合實(shí)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?qū)Σ煌锢韴?chǎng)進(jìn)行分步求解，前者分析得到的結(jié)果可以作為后者的載荷，通過(guò)如此方式進(jìn)行耦合。熱-應(yīng)力耦合分析是最常見的順序耦合的例子，先通過(guò)熱分析得到各節(jié)點(diǎn)溫度，在后續(xù)的結(jié)構(gòu)分析中把節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷與其他載荷一道施加到模型上，求解得到應(yīng)力分布的結(jié)果。

2.1.3 直接法與順序法應(yīng)用的場(chǎng)合

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

直接耦合應(yīng)用在相互作用非線性程度較高的耦合分析中，僅通過(guò)一次分析就能求解得到結(jié)果。因此，不需要為不同的物理場(chǎng)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(guān)于流體流動(dòng)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(jìn)氣門三維模型，該失效試驗(yàn)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(guò)渡圓弧尺寸R為15 mm，過(guò)渡錐角為15°。依照尺寸圖建立三維模型，如圖3所示。

圖2 進(jìn)氣門的尺寸參數(shù)

圖3 進(jìn)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(dǎo)入到Abaqus中，為了簡(jiǎn)化分析，這里只考慮背錐角和過(guò)渡圓弧半徑對(duì)頸部結(jié)構(gòu)的影響。劃分網(wǎng)格前需要對(duì)模型單元進(jìn)行設(shè)置，選擇單元類型時(shí)需要針對(duì)氣門的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，由于氣門屬于回旋對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了計(jì)算更加精確，可以選擇二次單元DC3D20和C3D20R。DC3D20是三維20節(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元，每個(gè)單元都有各自的溫度自由度，20個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的單元具有相對(duì)較完整的溫度形狀，適用于邊界為曲線的模型，可以應(yīng)用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析。C3D20R是三維20節(jié)點(diǎn)線性六面體實(shí)體單元，是C3D8R的高階形式，在計(jì)算時(shí)，允許不規(guī)則的形狀存在，該單元同樣具有20個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，出現(xiàn)形狀偏移時(shí)，其兼容性好，每個(gè)節(jié)點(diǎn)存在三個(gè)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(yīng)變、應(yīng)力剛化、蠕變、大變形[5]。首先要進(jìn)行熱分析，因此選擇DC3D20單元，為了提高計(jì)算精度，模型網(wǎng)格用Hypermesh進(jìn)行劃分，由于氣門是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，設(shè)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(shù)，這里采用掃掠網(wǎng)格劃分的方法。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.4 熱分析

由于熱-應(yīng)力耦合是非線性程度不是很高的耦合，相互耦合的兩個(gè)物理場(chǎng)之間可以獨(dú)立求解，故本例采用間接耦合法。先進(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，把熱分析得到的結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的載荷進(jìn)行添加，最終計(jì)算出結(jié)果[6]。

1）氣門材料參數(shù)的設(shè)置。本文所研究的是85Cr18Mo2V進(jìn)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(dǎo)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(duì)模型與周圍的表面換熱系數(shù)H和流體溫度T進(jìn)行設(shè)置。經(jīng)驗(yàn)公式[7-8]如下：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式以及發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)，并根據(jù)該柴油機(jī)的實(shí)際工況可得到其進(jìn)氣門的傳熱邊界，如表1所示。

表1 進(jìn)氣門熱邊界條件

3）由上述求解，得到進(jìn)氣門穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖6所示。由分析結(jié)果可知，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，進(jìn)氣門盤部與頸部的過(guò)渡區(qū)溫度最高，達(dá)到714.87 ℃，氣門桿的溫度最低，只有160 ℃，同時(shí)，可以看出氣門不同部分溫度分布差異比較明顯。溫度過(guò)高容易導(dǎo)致氣門燒蝕，在落座力的沖擊下也會(huì)出現(xiàn)斷裂失效；溫度過(guò)高同樣會(huì)致使錐面磨損嚴(yán)重，氣門的密封性變差，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作。從溫度分布的結(jié)果來(lái)看，氣門錐面的溫度小于最高溫度，是因?yàn)闅忾T座帶走了部分熱量。

圖6 進(jìn)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(jié)構(gòu)分，設(shè)置網(wǎng)格屬性時(shí)選擇C3D20R單元，其他設(shè)置與熱分析相同。

2.5.2 材料參數(shù)

材料屬性設(shè)置與熱分析相同。

2.5.3 邊界條件的設(shè)定

一般認(rèn)為氣門在落座時(shí)，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(duì)錐面進(jìn)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(shè)置為0。由于受到氣門座圈的作用，因此對(duì)氣門座與氣門座圈的接觸面Y方向的位移進(jìn)行約束。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣門彈簧座通過(guò)鎖夾把氣門桿鎖住，此時(shí)，氣門只有軸向位移，同時(shí)要對(duì)氣門鎖夾與氣門桿的接觸面進(jìn)行X、Z方向位移約束[9-10]。

2.5.4 載荷的加載

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門與排氣門處于不同的工況下，進(jìn)氣門受到的溫度壓力工況比排氣門復(fù)雜[2]。氣門落座時(shí)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(jì)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(zhì)量；C為摩擦阻尼系數(shù)；K為氣門彈簧剛度；F0為氣門預(yù)緊力。

根據(jù)式（3）得到氣門落座力FN＝2 664 N，氣門關(guān)閉時(shí)，氣門盤部受到燃?xì)獾膲毫＝15 MPa，假設(shè)盤部端面上的氣壓均勻分布。由于整個(gè)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(shí)際接觸面積大約是鎖夾槽曲面面積的0.4倍，因此，設(shè)定接觸比例因子為0.4，預(yù)緊力作用在0.4倍的鎖夾曲面上。其彈簧預(yù)緊力FS＝507 N。

2.5.5 溫度載荷的添加

把熱分析得到的結(jié)果作為載荷添加到模型，最后進(jìn)行求解，分析流程如圖8所示。

圖8 氣門盤部熱-應(yīng)力耦合分析流程

3 有限元結(jié)果分析

通過(guò)后處理可得到進(jìn)氣門頸部熱-應(yīng)力耦合分析結(jié)果。氣門等效應(yīng)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(guò)渡處應(yīng)力最大，下文對(duì)氣門應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖9 氣門等效應(yīng)力分布云圖

氣門應(yīng)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(yīng)力大小，可以發(fā)現(xiàn)：氣門鎖夾槽處以及頸部與盤部過(guò)渡處都發(fā)生了應(yīng)力的突變，也是應(yīng)力最大的地方，而中間的桿部應(yīng)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?xì)鈮毫?、預(yù)緊力和氣門落座力的影響，氣門表面應(yīng)力由起初的壓應(yīng)力變成了拉應(yīng)力，而且隨著軸向尺寸的變化，在鎖夾槽處應(yīng)力達(dá)到了最大值?？梢酝茢喑觯簹忾T盤部與頸部的過(guò)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(duì)該位置進(jìn)行應(yīng)力分析。

圖10 氣門應(yīng)力沿軸向變化曲線圖

氣門盤部應(yīng)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(yīng)力大小，在盤部邊緣也發(fā)生了應(yīng)力的突變，這是由于氣門落座力的影響，在氣門盤部邊緣應(yīng)力達(dá)到最小。因此，氣門盤部失效的主要原因是受到周向應(yīng)力的作用，且在高速、高頻率、高熱以及交變拉壓應(yīng)力的沖擊下，在應(yīng)力集中的區(qū)域常常出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞。

圖11 氣門盤部應(yīng)力沿徑向變化曲線圖

4 小結(jié)

為了探究進(jìn)氣門失效的原因，筆者利用SolidWorks軟件建立進(jìn)氣門的三維模型，將模型導(dǎo)入到Abaqus中進(jìn)行熱力耦合仿真分析，得到了溫度和應(yīng)力的分析結(jié)果：1）進(jìn)氣門盤部與頸部的過(guò)渡區(qū)溫度最高，達(dá)到714.87 ℃，氣門桿的溫度最低，只有160 ℃，同時(shí)，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(guò)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(duì)該位置進(jìn)行應(yīng)力分析；3）由于氣門落座力的影響，在氣門盤部邊緣應(yīng)力達(dá)到最小。因此，氣門盤部失效的主要原因是受到周向應(yīng)力的作用，且在高速、高頻率、高熱以及交變拉壓應(yīng)力的沖擊下，在應(yīng)力集中的區(qū)域常常出現(xiàn)點(diǎn)蝕破壞。通過(guò)對(duì)以上結(jié)果的分析，為后續(xù)進(jìn)氣門失效分析以及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。