【正文】 面是機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題， 而對(duì)于機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能的研究， 又主要集中在氣門的運(yùn)動(dòng)規(guī)律上。在研究更精確的氣門振動(dòng)模型、凸輪挺柱副的動(dòng)力潤(rùn)滑、非對(duì)稱凸輪型線以及凸輪型線的擬合等方面， 國(guó) 內(nèi)外都有很大的發(fā)展。它集零件設(shè)計(jì)、大型組件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)分析、造型設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能于一體，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)，特征驅(qū)動(dòng)，單一數(shù)據(jù)庫(kù)等特點(diǎn)，大大加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度，這些技術(shù)超越了純粹的參數(shù)化系統(tǒng)和那些已經(jīng)過(guò)時(shí)的所謂混合建模系統(tǒng)。 （ 3）通過(guò)零件的特征值之間，載荷 /邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 ANSYS 的 現(xiàn)狀及 功能特點(diǎn) ANSYS 是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生， ANSYS 軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各 界好評(píng)。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問(wèn)題必不 可少的有力工具。但在外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入的同時(shí)，由于數(shù)據(jù)的兼容性等問(wèn)題，有時(shí)并不是很理想，容易造成以下問(wèn)題： （ 1）對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的忽略，而這卻是分析局部應(yīng)力及應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位。 課題研究的主要內(nèi)容 4 1．設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 （ 1）通過(guò)給定的二維圖形結(jié)合著 Pro/E 軟件轉(zhuǎn)化為三維圖形。 （ 5）選取排氣門并導(dǎo)入 ANSYS 軟件中對(duì)其受載和約束情況進(jìn)行有限元分析，對(duì)氣門承受的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算校核。所謂新鮮氣體，對(duì)于汽油機(jī)就是汽油與空氣的混合氣，對(duì)于柴油機(jī)則為純凈的空氣。 氣門的建模 進(jìn)氣門的建模 （ 1） 運(yùn)行 Pro/E。 （ 1）點(diǎn)擊確定，進(jìn)入草繪屬性界面，如圖 所示。 圖 進(jìn)氣門三維圖 1 8 （ 2）在對(duì)進(jìn)氣門進(jìn)行倒角，點(diǎn)擊右側(cè)工具欄里的 圖標(biāo)，輸入倒角的數(shù)值 ，如圖 所示。 圖 “ 新建 ” 窗口 圖 選擇“單位類型 ” （ 2）點(diǎn)選 “ 類型 ” 選項(xiàng)中的 “ 零件 ” 單選按鈕，點(diǎn)選子類型選項(xiàng)組中的 “ 實(shí)體 ”單選鈕，并在名稱文本框中輸入新建文件的名稱，取消勾選 “ 使用默認(rèn)模板 ” 復(fù)選框，單擊 “ 確定 ” 彈出新文件選項(xiàng)對(duì)話框。 圖 草繪旋轉(zhuǎn) （ 3）完成了旋轉(zhuǎn)，點(diǎn)擊 圖標(biāo)，在點(diǎn)擊 圖標(biāo)進(jìn)行倒角，如圖 。單擊 “ 文件 ” 工具欄中的新建工具，彈出 “ 新建 ” 對(duì)話框，如 12 圖 所示。 圖 拉伸 13 （ 1）在對(duì)其進(jìn)行螺紋掃描，在主菜單上依次單擊 “ 插入 ”→“ 螺旋掃描 ”→“ 切口 ” 命令，系統(tǒng)彈出 “ 屬性 ” 菜單管理器，如圖 （ a）（ b）所示。 （ 5）繪制如圖 所思的掃描軌跡，注意繪制螺旋掃描的中心線。 圖 （ 7）系統(tǒng)彈出 “ 方向 ” 菜單管理器，指示切口的生成方向，單擊 “ 正向 ” 命令，如圖 所示。 15 圖 調(diào)整螺釘 氣門彈簧的建模 （ 1）單擊 按鈕，在 “新建 ”對(duì)話框中輸入文件名 “qimentanhuang”，然后單擊 “確定 ”按鈕。 （ 5）在 “方向 ”菜單管理器中單擊 “正向 ”命令，系統(tǒng)彈出 “草繪視圖 ”菜單管理器，如圖 所示。在主菜單中單擊 “草繪 ”→“ 點(diǎn) ”命令，或者在 “草繪 ”工具欄中單擊【分割點(diǎn)】按鈕添加點(diǎn)，最終效果如圖 所示，單擊 按鈕完成掃描軌跡。 17 圖 定義螺距對(duì)話框 圖 增加螺距值 18 （ 4）在信息提示區(qū)輸入螺距值為 “ 3” ，單擊 按鈕完成。 圖 繪制草圖 圖 伸出項(xiàng) 19 在如圖 所示的 “ 伸出項(xiàng)：螺旋掃描 ” 對(duì)話框中單擊【預(yù)覽】按鈕預(yù)覽完成后的模型，單擊【確定】按鈕完成彈簧的創(chuàng)建。各零部件之間的建立對(duì)整體的裝配起到?jīng)Q定性的作用 [4]。 圖 “ 新建 ” 窗口 圖 選擇“單位類型 ” （ 2）點(diǎn)選 “ 類型 ” 選項(xiàng)中的 “ 零件 ” 單選按鈕，點(diǎn)選子類型選項(xiàng)組中的 “ 實(shí)體 ”單選鈕，并在名稱文本框中輸入 新建文件的名稱，取消勾選 “ 使用默認(rèn)模板 ” 復(fù)選框，單擊 “ 確定 ” 彈出新文件選項(xiàng)對(duì)話框。還要結(jié)合著凸輪的角度進(jìn)行畫草圖，因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)排氣門的配氣正時(shí)角度不一樣，要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙上的剖面圖進(jìn)行建模，得到如圖 (a)(b)(c)組所示。最后的到圖 所示。 圖 標(biāo)準(zhǔn)孔 圖 孔 2 （ 3）同樣做法再把另一側(cè)的孔做出來(lái)，先畫出孔的草繪圖，如圖 所示，最后選取放置的平面，完成后的視圖如 所示。 （ 3）選擇 “mmns_part_solid”模板，表示零件模 型為實(shí)體，單擊 “確定 ”完成，如圖 所示。 圖 拉伸 （ 2）在對(duì)上級(jí)拉伸的圖形進(jìn)行處理，把滾輪的位置畫出來(lái)，此時(shí)畫完草圖時(shí)拉伸時(shí)要選擇去除材料 ，如圖 所示。 排氣搖臂的建模 整體的步驟和進(jìn)氣搖臂相類似，但是排氣搖臂是兩個(gè)頂氣門的接觸點(diǎn)，注意畫圖時(shí)的按照二維圖形的尺寸，結(jié)合著角度去畫，具體的步驟見(jiàn)圖 (a)(b)所示。 圖 “ 新建 ” 窗口 選擇“單位類型 ” （ 2）按順序依次點(diǎn)擊完成新文件夾的創(chuàng)建 33 （ 1）確定尺寸后先畫出搖臂軸的主軸，畫出草圖后在對(duì)其進(jìn)行拉伸，如圖 所示。 圖 安裝孔 （ 3）在每個(gè)孔的上面畫出一個(gè)凹的平臺(tái)，步驟是先在軸上畫草圖，然后進(jìn)行拉伸去除材料，如圖 所示。 圖 進(jìn)氣搖臂軸圖 36 排氣搖臂軸的建模 （ 1）整體的步驟和進(jìn)氣搖臂的過(guò)程相類似，具體的步驟如圖 (a)(b)組所示，畫圖的主要步驟如圖 (a)(b)(c)(d)(e)(f)組所示。單擊 “ 文件 ” 工具欄中的新建工具，彈出 “ 新建 ” 對(duì)話框，如圖 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)齒輪的圓柱草繪圖 40 畫出 孔 的草繪圖， 拉伸去材料， 得到圖 所示。 圖 驅(qū)動(dòng)齒輪輪齒的草繪圖 42 從動(dòng)齒輪的建模 （ 1）運(yùn)行 Pro/E。 畫出 圓柱的草繪圖，得到圖 所示。 圖 從動(dòng)齒輪鍵槽的草繪圖 制輪齒 畫出 輪齒的 草繪圖， 拉伸去材料后陣列， 得到圖 所示。 46 （ 3）選擇 “ mmns_part_solid” 模板，表示零件模型為實(shí)體，單擊 “ 確定 ” 完成，如圖 所示。其中的零件多而復(fù)雜，要求的精度也很高，所以就要求在畫圖時(shí)注意尺寸的偏差，注意零件的配合間隙，在畫進(jìn)氣搖臂和排氣搖臂時(shí)要注意其中的約束，保證畫出的零件能夠符合標(biāo)準(zhǔn)。單擊 “ 確定 ” 按鈕彈出 “ 新文件選項(xiàng) ” 對(duì)話框，在 “ 模板 ” 選 項(xiàng)組中選擇 mmns＿ asm＿ design 選項(xiàng)，如圖 所示。 50 圖 兩者圖 （ 5）然后再對(duì)其進(jìn)行約束點(diǎn)擊兩個(gè)零件的中心線，此時(shí)兩個(gè)零件的中心線重合，如圖 所示。 52 圖 加入調(diào)整螺釘 （ 9）在對(duì)進(jìn)氣搖臂的另一側(cè)安裝滾軸，步驟也是相似的，組裝完后如圖 所示。 圖 整體組裝 （ 2）在把氣門彈簧組裝到每個(gè)氣門里面，如圖 (a)(b)(c)組所示。有限元時(shí)在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力與動(dòng)力特征分析中應(yīng)用和發(fā)展起來(lái)的一種有效的數(shù)值分析方法，它可以解決工程中的結(jié) 構(gòu)問(wèn)題，也成功的解決了傳熱學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)和聲學(xué)等領(lǐng)域的問(wèn)題。 ANSYS 是一種通用的商業(yè)套裝工程分析軟件，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)受到外力載荷后所產(chǎn)生的反應(yīng)，如位移、應(yīng)力、溫度等，便可以知道結(jié)構(gòu)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，從而判定結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計(jì)要求。使用該軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。而且， ANSYS 還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)、估計(jì)分析等附加功能。 （ 3） Input Window（命令輸入窗口）通過(guò)這個(gè)窗口，可以直接輸入 ANSYS 可以支持的命令，以前所有輸入過(guò)的命令以下拉列表的形式便于再次輸入。 （ 7） Status and Prompt Area（狀態(tài)欄）顯示當(dāng)前操作的有關(guān)提示。解決這一矛盾的有效途徑是 :在 Pro/E 中進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中進(jìn)行有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)完成零件設(shè)計(jì)和分析。 58 這是要特別注意的。如果想用第一種方案，就要改用 Pro/. （ 2）第二種是將轉(zhuǎn)換為 Pro/ 文件轉(zhuǎn)化 iges 格式文件后導(dǎo)入到 ANSYS 中。 iges 格式是 The Initial Graphics Exchange Specification 的首字母的縮寫 ,( IGES) 是被定義基于 Computer – Aided Design ( CAD)amp。 圖 59 圖 打開(kāi)文件 圖 圖 圖 文件 60 圖 ，如果有丟失要對(duì)其進(jìn)行修改，已達(dá)到圖紙的要求。 ② 氣門斷裂 。 根據(jù)資料和圖紙查得微型乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中的排氣門參數(shù)為下所示： 排氣門允許采用整體式氣門，材料為 4Cr14Ni14 W2Mo 或 214N，本次采用的是后者 214N, 通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知道， 21 4N 鋼為奧氏體熱強(qiáng)鋼 ,有良好的抗氧化性和抗燃?xì)飧g性 ,高溫力學(xué)性能較好。mp 為挺柱和挺桿的質(zhì)量 , mp = 0. 480kg。 F0 為氣門預(yù)緊力 , F0 = 430N。 （ 2）在 Enter new jobname 文本框中輸入文字 “ paqimen” 為本分析的數(shù)據(jù)庫(kù)文件名，如圖 所示。 62 （ 6）單擊 OK 按鈕，完成對(duì)標(biāo)題名的指定。本設(shè)計(jì)中選擇四面體單元 Solid45。 （ 4） 在對(duì)話框左邊 的列表中選擇 Tet 10node 92 選項(xiàng)，選擇四面體 SOLID92 單元。具體步驟如下 ： （ 1）從主菜單中選擇 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，將打開(kāi) Define Material Model Behavior（定義材料模型）屬性窗口。 （ 6）在 DENS 文本框中輸入密度值 106，單位為千克 /立方毫米。 （ 1）單擊 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，彈出 Mesh Tool（網(wǎng)格工具）。 （ 8）在 Define Material Model Behavior 窗口中，從菜單中選擇 Material Exit 命令，或者單擊右上角的 按鈕，退出定義材料屬性窗口，完成對(duì)材料屬性的定義。 64 圖 定義彈性模量和泊松比 （ 3）在對(duì)話框 EX 的文本框中輸入彈性模量 105，單位為兆帕，在 PRXY 文本中輸入泊松比 。 （ 5）在對(duì)話中單擊 OK 按鈕，將 Tet 10node 92 單元添加，關(guān)閉單元類型對(duì)話框。 （ 2）單擊 Add 按鈕，打開(kāi) Library of Element Type（單元類型庫(kù)），如圖 所示。 （ 8）從主菜單中選擇 Utility Menu:Preference 命令，將打開(kāi) Preference of GUI Filt ering(菜單過(guò)濾參數(shù) )對(duì)話框，選中 Structural 復(fù)選框，單擊 OK 按鈕確定。 （ 4）從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu:FileChange Jobname 命令，打開(kāi) Change Title（修改標(biāo)題）對(duì)話框。為了便于有限元模型分析 ,氣門座接觸示意圖 如圖 所示 [20],以下就該簡(jiǎn)化模型對(duì)氣門進(jìn)行有限元分析 圖 圖 設(shè)置參數(shù) 設(shè)置參數(shù)包括設(shè)定分析作業(yè)名和標(biāo)題；建立模型；定義單元類型；定義材料屬性；劃分有限元網(wǎng)絡(luò)；但我們已經(jīng)將三維建模的 排氣門 導(dǎo)入 ANSYS 中，其中的建立模型可以省略。 C為摩擦阻尼系數(shù) , C = 1. 581kg/ s。 為了便于分析 ,對(duì)配氣機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化 ,如圖 所示 [20]的有支座的單自由度模型 ,發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門工作時(shí) ,氣門往復(fù)運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)凸輪廓線控制 ,氣門所承受的沖擊載荷特征由凸輪的速度和加速度來(lái)控制 ,可由如下計(jì)算公式得到 : F = MX″ + CX′ + KX + F0 式中 :M 為氣門機(jī)構(gòu)的等效質(zhì)量 ,M =mv + 1 /3m s +mp , mv 為氣門質(zhì)量 ,mv = 0. 1156kg。 ④ 氣門錐面磨損過(guò)速。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中 ,氣門 氣門座是一對(duì)關(guān)鍵的摩擦副 ,該摩擦副長(zhǎng)期在高溫、高負(fù)荷及燃?xì)飧g環(huán)境下工作 ,惡劣的工作環(huán)境使氣門密封錐面的磨 損受氣門落座載荷的影響很大。計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng) ) 不同電腦系統(tǒng)之間的通用 ANSI 信息交換標(biāo)準(zhǔn)。