基于ANSYS的发动机气门热—应力耦合分析

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基于ANSYS的发动机气门热—应力耦合分析

作者：王景李永飚

来源：《科技创新与应用》2013年第34期

摘要：文章利用ANSYS软件的APDL命令流对气门进行建模，并对其进行热-应力耦合分析，研究气门在高温高压状态下的应力分布情况，结果表明：气门盘部和过渡圆弧位置应力最大，并以实际案例证明了分析结果的正确性，研究结果可为气门的结构优化和疲劳寿命分析提供理论依据。

关键词：气门；ANSYS；热-应力耦合

引言

发动机工作的时候，在气缸体、气缸盖、活塞和气门等组成的密闭环境中，可燃性气体不断地进行燃烧，使这些零件都处于高温、高压的工作环境中，除此之外还受到燃气腐蚀的作用，工况条件十分恶劣，特别是在发动机进气和压缩行程中承担着换气功能的进气门和排气门。气门在工作过程中，不仅受到高速频繁的落座冲击作用、气缸内部燃气燃烧产生的热应力和交变的拉压应力等作用，还受到高速燃气冲刷和高温气体腐蚀的作用，除此之外，由于气门材料导热系数较小以及冷却条件不好，所以积存在气门上的热量很难散发出去，从而使气门温度上升。在密闭燃烧空间工作的零件中，气门的温度最高，一般情况下，进气门工作温度为200～450℃，排气门工作温度为600～800℃，有的甚至能达到850～900℃[1]。通常，许多材料的很多性能都会因受到高温作用而发生变化，如机械性能下降，产生蠕变等等。气门在工作过程中，除了受到上述的高温作用之外，还要承受气缸内燃气燃烧时产生的高压作用。

耦合场分析是指在有限元分析的过程中考虑两种或者两种以上工程学科的交叉作用和相互影响，常用的耦合场分析包括：热-应力耦合分析，热-电耦合分析，流体-结构耦合分析等[2]。耦合场分析方法有两种：直接耦合分析法（是运用包括所有必须自由度的耦合单元类

型，只通过一次求解就能够得到耦合场的分析结果，主要用于多个物理场的响应相互依赖的情况）和间接耦合分析法（按照一定的顺序求解两个或多个物理场的分析，它能把第一次场分析的结果作为载荷施加到下一次场的分析中）[2]。在很多工程实践中，采用ANSYS进行分析时，热分析得到的结果对结构分析有着很大的影响，但结构分析的结果对热分析的影响却不理想，所以一般情况下采用间接耦合分析法来进行热-应力耦合分析。在对气门进行分析时，本文采用间接耦合分析法：先进行热分析，得出每个节点的温度，然后将这些节点温度作为载荷施加到结构分析中，从而完成对发动机气门的热-应力耦合分析。

1 气门热-应力耦合分析过程