【導(dǎo)讀】分析的相關(guān)知識(shí)。綜述了國(guó)內(nèi)外目前微型乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的裝配與分析的發(fā)展。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的使用性能、工作條件、結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求的了解，利用。入到ANSYS軟件中進(jìn)行分析，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，對(duì)于工程實(shí)際具有重要的應(yīng)用價(jià)值。基于以上的說(shuō)明，我。AutoCAD設(shè)計(jì)更能夠縮短開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)制造水平。ANSYS的現(xiàn)狀及功能特點(diǎn)........

　　

【正文】 最為通用有效的商業(yè)有限元軟件之一。 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。 ANSYS 軟件是國(guó)際流行的融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，具有強(qiáng)大處理、求解和后處理功能。 ANSYS 軟件從 20 世紀(jì)70 年代誕生至今，經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成為能夠跟計(jì)算機(jī)硬件軟件發(fā)展水平的功能完備的有限元軟件系統(tǒng)，已經(jīng)為全球工業(yè)界所廣泛接受。他在工程上的應(yīng)用相 當(dāng)廣泛，在機(jī)械、交通、物理、土木、生物醫(yī)學(xué)、電子及航天航空的領(lǐng)域的使用，都就已經(jīng)能夠達(dá)到某種程度的可信度，并且頗獲各界好評(píng)。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。它是第一個(gè)通過(guò)了 ISO9001 質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)軟件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ ASME）、美國(guó)核安全局 (NQA)及近 20 種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件，在我國(guó)， ANSYS 軟件第一個(gè)通過(guò)了中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員的認(rèn)證，并在國(guó)務(wù)院 17 個(gè)部委推廣使用。 ANSYS 公司是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名的力學(xué)專 家John Swanson 博士于 1970 年創(chuàng)建而發(fā)展起來(lái)的，其總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州的匹茲堡市，目前是世界 CAE 行業(yè)最大的公司之一 [17]。 ANSYS 是一個(gè)通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡(jiǎn)單的線 57 性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析。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。 在啟動(dòng) ANSYS 后，就可以打開(kāi) ANSYS 的圖形用戶界面（ GUI）。 ANSYS 的圖形用戶界面主要有 8 個(gè)部分組成 [18]： （ 1） Utility Menu（實(shí)用菜單）包括一些在整個(gè)分析過(guò)程中都有可能要用 到的一些命令，比如文件類命令、選取類命令以及圖形控制和一些參數(shù)設(shè)置等等。 （ 2） Standard Toolbar（標(biāo)準(zhǔn)工具條窗口）包括一些常用的命令按鈕，這些按鈕對(duì)應(yīng)的命令都可以在實(shí)用菜單中找到對(duì)應(yīng)的菜單項(xiàng)。 （ 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。 （ 4） ANSYS Toolbar（工具條窗口）允許用戶自定義一些按鈕來(lái)執(zhí)行一些 ANSYS命令或者函數(shù)，安裝時(shí) ANSYS 已經(jīng)默認(rèn)定義了一些按鈕執(zhí)行相 應(yīng)的功能。 （ 5） Main Menu（主菜單窗口）包括一些基本的 ANSYS 命令，以處理器（ processor）的類型來(lái)組織（前處理器，求解器等等），具體的命令是否可用與 ANSYS 當(dāng)前所處得處理器位置有關(guān)。 （ 6） Graphics Window（圖形窗口） ANSYS 的圖形輸出區(qū)域，一般的交互式圖形操作也在此區(qū)域進(jìn)行。 （ 7） Status and Prompt Area（狀態(tài)欄）顯示當(dāng)前操作的有關(guān)提示。 （ 8） Output Window（輸出窗口）輸出窗口接收 ANSYS 程序運(yùn)行時(shí)所有的文本輸出，比如命令 的響應(yīng)、注釋，警告、錯(cuò)誤以及其他的各種消息。一般情況下，這個(gè)窗口隱藏在主窗口后面 ANSYS 與 Pro/E 由于目前 CAD和 CAE這兩個(gè)領(lǐng)域最具代表性的應(yīng)用軟件分別是 Pro/E和 ANSYS。Pro/E 擁有強(qiáng)大的實(shí)體和曲面造型功能，而 ANSYS 具有完善的有限元分析功能，這兩個(gè)軟件各自的長(zhǎng)處恰恰又是對(duì)方的短處。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。所以，問(wèn)題的關(guān)鍵是如何把這兩個(gè)軟件結(jié)合起來(lái)，將 Pro/E 中生成的模型完整地導(dǎo)入到 ANSYS 中去，進(jìn)而完成所需的有限元分析。 本次設(shè)計(jì)采用的是 Pro/ 與 為研究對(duì)象，并采用這兩個(gè)軟件進(jìn)行了實(shí)體模型在兩個(gè)不同軟件之間的轉(zhuǎn)換和連接。本次設(shè)計(jì)用的是第二種放方案，是將轉(zhuǎn)換為 Pro/ 文件轉(zhuǎn)化 iges 格式文件后導(dǎo)入到 ANSYS 中，其中要值得注意的是轉(zhuǎn)化的 igs 文件要保存于英文文件夾下，不能是中文的文件夾下。 58 這是要特別注意的。 導(dǎo)入方法與對(duì)策 將 PRO/ 的模型導(dǎo)入 一般有 2 種方 法。 （ 1）第一種是在 PRO/E 與 ANSYS 中建立一種接口連接，由于此種方法對(duì)兩者的要求是 Pro/E 軟件的版本發(fā)布日期不能高于 ANSYS 軟件的版本發(fā)布日期。 之前試過(guò)了 Pro/ 和 或 的連接都沒(méi)能成功，所以只能下載比 Pro/ 高的版本。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。本次設(shè)計(jì)采用的就是這種方法。 將 PRO/ E 的 prt 格式先轉(zhuǎn)換為 iges 格 式，在 PRO/ E 中打開(kāi)要分析的圖形，點(diǎn)擊文件按鈕，選擇保存副本，選擇類型為 IGS，如圖 所示，然后在 ANSYS 環(huán)境下Utility Menu: File Import IGES ，如圖 所示。接著點(diǎn)擊 OK 如圖 所示，出現(xiàn)如圖 所示，點(diǎn)擊 browse 進(jìn)入下一步，去剛才建立 igs 文件的文件夾去找，如圖 所示，最后打開(kāi) ANSYS 界面，如圖 所示。 iges 格式是 The Initial Graphics Exchange Specification 的首字母的縮寫(xiě) ,( IGES) 是被定義基于 Computer – Aided Design ( CAD)amp。Computer Aided Manufacturing (CAM) systems (計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) amp。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)。所以從理論上來(lái)講 ,任何的 CAD 軟件格式的文件都可以通過(guò) iges 格式導(dǎo)入到任何一種 CAE 軟件中去。 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。 排氣門(mén)的有限元分析 氣門(mén)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一 ,它既是燃燒室的組成部分 ,又是氣體進(jìn)、出燃燒室的通道 ,工作時(shí)需承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷 ,尤其是排氣門(mén) ,由于經(jīng)常受到高溫燃?xì)獾臎_刷 ,因而易產(chǎn)生漏氣、腐蝕與燒損等現(xiàn)象 ,工作條件也就更為嚴(yán)酷。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中 ,氣門(mén) 氣門(mén)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(mén)密封錐面的磨 損受氣門(mén)落座載荷的影響很大。氣門(mén)常見(jiàn)的損壞形式如下 : ① 排氣門(mén)燒蝕 。 ② 氣門(mén)斷裂 。 ③ 氣門(mén)頭部裂紋和碎落 。 ④ 氣門(mén)錐面磨損過(guò)速。在氣門(mén)生產(chǎn)之前最好對(duì)其進(jìn)行力學(xué)特性分析 ,來(lái)測(cè)試使用性能。 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(mén)參數(shù)為下所示： 排氣門(mén)允許采用整體式氣門(mén)，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。它的密度為 7900kg/m3 ,柏松比 u 為 0. 3, 彈性模量 E 為 210GPa, 切變模量 G 為 81GPa,室溫下的 σ b = 885Mpa[19]。 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(mén)工作時(shí) ,氣門(mén)往復(fù)運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)凸輪廓線控制 ,氣門(mén)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(mén)機(jī)構(gòu)的等效質(zhì)量 ,M =mv + 1 /3m s +mp , mv 為氣門(mén)質(zhì)量 ,mv = 0. 1156kg。 61 m s 為氣門(mén)彈簧質(zhì)量 ,m s = 0. 1862kg。mp 為挺柱和挺桿的質(zhì)量 , mp = 0. 480kg。M = 0. 657kg。 C為摩擦阻尼系數(shù) , C = 1. 581kg/ s。 K為氣門(mén)彈簧剛度 , K = 60. 847N /mm。 F0 為氣門(mén)預(yù)緊力 , F0 = 430N。通過(guò)應(yīng)用凸輪廓線方程得到氣門(mén) M 的位移曲線 ,從而得到 X 的方程式 ,代入動(dòng)力學(xué)方程式可得到凸輪在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的幾條載荷曲線 , 由曲線圖 [21]可知 , 當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)速為 n =20xx rad /min時(shí) ,氣門(mén)所受到的最大載荷 ,即氣門(mén)的落座力為 F = 2636. 8N。為了便于有限元模型分析 ,氣門(mén)座接觸示意圖 如圖 所示 [20],以下就該簡(jiǎn)化模型對(duì)氣門(mén)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(mén) 導(dǎo)入 ANSYS 中，其中的建立模型可以省略。 （ 1）從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu:FileChange Jobname 命令，打開(kāi) Jobname(修改文件名 )對(duì)話框。 （ 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。 （ 3）單擊 OK 按鈕，完成文件名的修改。 （ 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。 （ 5）在 Enter new title 文本框中輸入文字（ static analysis of a valve），為本分析的標(biāo)題名，如圖 所示。 62 （ 6）單擊 OK 按鈕，完成對(duì)標(biāo)題名的指定。 （ 7）從實(shí)用菜單中選擇 Utility Menu:Plot Repot 命令，指定標(biāo)題 static analysis of a gear 將顯示在圖形窗口的左下角。 （ 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。 圖 輸入新文件名 圖 輸入題目名 在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)該根據(jù) 分析問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)，分析類型和所分析的問(wèn)題精度要求等，選定適合具體分析的單元類型。本設(shè)計(jì)中選擇四面體單元 Solid45。 （ 1）從主菜單中選 Utility MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete 命令，將打開(kāi) Element Type 對(duì)話框，如圖 所示。 （ 2）單擊 Add 按鈕，打開(kāi) Library of Element Type（單元類型庫(kù)），如圖 所示。 （ 3）然后在對(duì)話框左邊的列表中選擇 Solid 選項(xiàng)，選擇實(shí)體單元類型。 （ 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。如圖 所示。 （ 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。 63 圖 圖 考慮慣性力的靜力分析中的彈性模量和密度。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。 （ 2）依次雙擊 StructuralLinearElasticIsotropic，展開(kāi)材料屬性的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，將打開(kāi)材料的彈性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定義的對(duì)話框，如圖 所示 。 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 。 （ 4）單擊 OK 按鈕，關(guān)閉對(duì)話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，此窗口的左邊一欄出現(xiàn)剛剛定義的參考號(hào)為 1 的材料屬性 . （ 5）依次雙擊 StructuralDensity，打開(kāi)定義材料密度對(duì)話框，如圖 所示。 （ 6）在 DENS 文本框中輸入密度值 106，單位為千克 /立方毫米。 （ 7）單擊 OK 按鈕，關(guān)閉對(duì)話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，在此窗口的左邊一欄參考號(hào)為 1 的材料屬性下方出現(xiàn)密度選項(xiàng)。 （ 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。 65 圖 本小節(jié) 中將選用 SOLID92 單元對(duì)盤(pán)面劃分映射網(wǎng)格。 （ 1）單擊 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，彈出 Mesh Tool（網(wǎng)格工具）。 （