【導讀】分析的相關知識。綜述了國內外目前微型乘用車發(fā)動機配氣機構的裝配與分析的發(fā)展。通過對發(fā)動機配氣機構的使用性能、工作條件、結構、技術要求的了解，利用。入到ANSYS軟件中進行分析，近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，分析計算問題的有效途徑，對于工程實際具有重要的應用價值?；谝陨系恼f明，我。AutoCAD設計更能夠縮短開發(fā)周期，提高生產制造水平。ANSYS的現狀及功能特點........

　　

【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，通過分析結構受到外力載荷后所產生的反應，如位移、應力、溫度等，便可以知道結構受到外力負載后的狀態(tài)，從而判定結構是否符合設計要求。 ANSYS 軟件是國際流行的融結構、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，具有強大處理、求解和后處理功能。 ANSYS 軟件從 20 世紀70 年代誕生至今，經過 30 多年的發(fā)展，已經發(fā)展成為能夠跟計算機硬件軟件發(fā)展水平的功能完備的有限元軟件系統(tǒng)，已經為全球工業(yè)界所廣泛接受。他在工程上的應用相 當廣泛，在機械、交通、物理、土木、生物醫(yī)學、電子及航天航空的領域的使用，都就已經能夠達到某種程度的可信度，并且頗獲各界好評。使用該軟件進行產品設計分析，能夠降低設計成本，縮短設計時間。它是第一個通過了 ISO9001 質量認證的大型分析設計軟件，是美國機械工程師協會（ ASME）、美國核安全局 (NQA)及近 20 種專業(yè)技術協會認證的標準分析軟件，在我國， ANSYS 軟件第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員的認證，并在國務院 17 個部委推廣使用。 ANSYS 公司是由美國匹茲堡大學力學系教授、有限元法的權威、著名的力學專 家John Swanson 博士于 1970 年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于美國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 是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線 57 性靜態(tài)分析到復雜的非線性動態(tài)分析。而且， ANSYS 還具有產品的優(yōu)化設計、估計分析等附加功能。 在啟動 ANSYS 后，就可以打開 ANSYS 的圖形用戶界面（ GUI）。 ANSYS 的圖形用戶界面主要有 8 個部分組成 [18]： （ 1） Utility Menu（實用菜單）包括一些在整個分析過程中都有可能要用 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設置等等。 （ 2） Standard Toolbar（標準工具條窗口）包括一些常用的命令按鈕，這些按鈕對應的命令都可以在實用菜單中找到對應的菜單項。 （ 3） Input Window（命令輸入窗口）通過這個窗口，可以直接輸入 ANSYS 可以支持的命令，以前所有輸入過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執(zhí)行一些 ANSYS命令或者函數，安裝時 ANSYS 已經默認定義了一些按鈕執(zhí)行相 應的功能。 （ 5） Main Menu（主菜單窗口）包括一些基本的 ANSYS 命令，以處理器（ processor）的類型來組織（前處理器，求解器等等），具體的命令是否可用與 ANSYS 當前所處得處理器位置有關。 （ 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)域進行。 （ 7） Status and Prompt Area（狀態(tài)欄）顯示當前操作的有關提示。 （ 8） Output Window（輸出窗口）輸出窗口接收 ANSYS 程序運行時所有的文本輸出，比如命令 的響應、注釋，警告、錯誤以及其他的各種消息。一般情況下，這個窗口隱藏在主窗口后面 ANSYS 與 Pro/E 由于目前 CAD和 CAE這兩個領域最具代表性的應用軟件分別是 Pro/E和 ANSYS。Pro/E 擁有強大的實體和曲面造型功能，而 ANSYS 具有完善的有限元分析功能，這兩個軟件各自的長處恰恰又是對方的短處。解決這一矛盾的有效途徑是 :在 Pro/E 中進行建模，然后將模型導入到 ANSYS 軟件中進行有限元分析，從而實現用計算機完成零件設計和分析。所以，問題的關鍵是如何把這兩個軟件結合起來，將 Pro/E 中生成的模型完整地導入到 ANSYS 中去，進而完成所需的有限元分析。 本次設計采用的是 Pro/ 與 為研究對象，并采用這兩個軟件進行了實體模型在兩個不同軟件之間的轉換和連接。本次設計用的是第二種放方案，是將轉換為 Pro/ 文件轉化 iges 格式文件后導入到 ANSYS 中，其中要值得注意的是轉化的 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。 導入方法與對策 將 PRO/ 的模型導入 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。 之前試過了 Pro/ 和 或 的連接都沒能成功，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）第二種是將轉換為 Pro/ 文件轉化 iges 格式文件后導入到 ANSYS 中。本次設計采用的就是這種方法。 將 PRO/ E 的 prt 格式先轉換為 iges 格 式，在 PRO/ E 中打開要分析的圖形，點擊文件按鈕，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。接著點擊 OK 如圖 所示，出現如圖 所示，點擊 browse 進入下一步，去剛才建立 igs 文件的文件夾去找，如圖 所示，最后打開 ANSYS 界面，如圖 所示。 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。Computer Aided Manufacturing (CAM) systems (計算機輔助設計 amp。計算機輔助制造系統(tǒng) ) 不同電腦系統(tǒng)之間的通用 ANSI 信息交換標準。所以從理論上來講 ,任何的 CAD 軟件格式的文件都可以通過 iges 格式導入到任何一種 CAE 軟件中去。 圖 59 圖 打開文件 圖 圖 圖 文件 60 圖 ，如果有丟失要對其進行修改，已達到圖紙的要求。 排氣門的有限元分析 氣門是發(fā)動機的重要零件之一 ,它既是燃燒室的組成部分 ,又是氣體進、出燃燒室的通道 ,工作時需承受較高的機械負荷和熱負荷 ,尤其是排氣門 ,由于經常受到高溫燃氣的沖刷 ,因而易產生漏氣、腐蝕與燒損等現象 ,工作條件也就更為嚴酷。在汽車發(fā)動機配氣機構中 ,氣門 氣門座是一對關鍵的摩擦副 ,該摩擦副長期在高溫、高負荷及燃氣腐蝕環(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。氣門常見的損壞形式如下 : ① 排氣門燒蝕 。 ② 氣門斷裂 。 ③ 氣門頭部裂紋和碎落 。 ④ 氣門錐面磨損過速。在氣門生產之前最好對其進行力學特性分析 ,來測試使用性能。 根據資料和圖紙查得微型乘用車發(fā)動機配氣機構中的排氣門參數為下所示： 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, 通過查閱機械設計手冊知道， 21 4N 鋼為奧氏體熱強鋼 ,有良好的抗氧化性和抗燃氣腐蝕性 ,高溫力學性能較好。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 ,對配氣機構可簡化 ,如圖 所示 [20]的有支座的單自由度模型 ,發(fā)動機排氣門工作時 ,氣門往復運動由驅動凸輪廓線控制 ,氣門所承受的沖擊載荷特征由凸輪的速度和加速度來控制 ,可由如下計算公式得到 : F = MX″ + CX′ + KX + F0 式中 :M 為氣門機構的等效質量 ,M =mv + 1 /3m s +mp , mv 為氣門質量 ,mv = 0. 1156kg。 61 m s 為氣門彈簧質量 ,m s = 0. 1862kg。mp 為挺柱和挺桿的質量 , mp = 0. 480kg。M = 0. 657kg。 C為摩擦阻尼系數 , C = 1. 581kg/ s。 K為氣門彈簧剛度 , K = 60. 847N /mm。 F0 為氣門預緊力 , F0 = 430N。通過應用凸輪廓線方程得到氣門 M 的位移曲線 ,從而得到 X 的方程式 ,代入動力學方程式可得到凸輪在不同轉速下運轉的幾條載荷曲線 , 由曲線圖 [21]可知 , 當凸輪轉速為 n =20xx rad /min時 ,氣門所受到的最大載荷 ,即氣門的落座力為 F = 2636. 8N。為了便于有限元模型分析 ,氣門座接觸示意圖 如圖 所示 [20],以下就該簡化模型對氣門進行有限元分析 圖 圖 設置參數 設置參數包括設定分析作業(yè)名和標題；建立模型；定義單元類型；定義材料屬性；劃分有限元網絡；但我們已經將三維建模的 排氣門 導入 ANSYS 中，其中的建立模型可以省略。 （ 1）從實用菜單中選擇 Utility Menu:FileChange Jobname 命令，打開 Jobname(修改文件名 )對話框。 （ 2）在 Enter new jobname 文本框中輸入文字 “ paqimen” 為本分析的數據庫文件名，如圖 所示。 （ 3）單擊 OK 按鈕，完成文件名的修改。 （ 4）從實用菜單中選擇 Utility Menu:FileChange Jobname 命令，打開 Change Title（修改標題）對話框。 （ 5）在 Enter new title 文本框中輸入文字（ static analysis of a valve），為本分析的標題名，如圖 所示。 62 （ 6）單擊 OK 按鈕，完成對標題名的指定。 （ 7）從實用菜單中選擇 Utility Menu:Plot Repot 命令，指定標題 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 Preference of GUI Filt ering(菜單過濾參數 )對話框，選中 Structural 復選框，單擊 OK 按鈕確定。 圖 輸入新文件名 圖 輸入題目名 在進行有限元分析時，首先應該根據 分析問題的幾何結構，分析類型和所分析的問題精度要求等，選定適合具體分析的單元類型。本設計中選擇四面體單元 Solid45。 （ 1）從主菜單中選 Utility MenuPreprocessorElement Type Add/Edit/Delete 命令，將打開 Element Type 對話框，如圖 所示。 （ 2）單擊 Add 按鈕，打開 Library of Element Type（單元類型庫），如圖 所示。 （ 3）然后在對話框左邊的列表中選擇 Solid 選項，選擇實體單元類型。 （ 4） 在對話框左邊 的列表中選擇 Tet 10node 92 選項，選擇四面體 SOLID92 單元。如圖 所示。 （ 5）在對話中單擊 OK 按鈕，將 Tet 10node 92 單元添加，關閉單元類型對話框。 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 Define Material Model Behavior（定義材料模型）屬性窗口。 （ 2）依次雙擊 StructuralLinearElasticIsotropic，展開材料屬性的樹形結構，將打開材料的彈性模量 EX 和泊松比 PRXY 的定義的對話框，如圖 所示 。 64 圖 定義彈性模量和泊松比 （ 3）在對話框 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，關閉對話框，并返回到定義材料模型屬性窗口，此窗口的左邊一欄出現剛剛定義的參考號為 1 的材料屬性 . （ 5）依次雙擊 StructuralDensity，打開定義材料密度對話框，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，關閉對話框，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為 1 的材料屬性下方出現密度選項。 （ 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，完成對材料屬性的定義。 65 圖 本小節(jié) 中將選用 SOLID92 單元對盤面劃分映射網格。 （ 1）單擊 Main Menu Preprocessor Meshing MeshTool，彈出 Mesh Tool（網格工具）。 （