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摘 要：本文以6S50MC-C柴油机为基础，选取21-4N作为排气门材料，运用ANSYS软件对排气阀的三维模型进行有限元分析，划分网格，对排气阀进行热负荷分析，求得稳态温度场，根据求得的温度场作为边界条件，施加约束，得到热应力，机械应力，热-机械应力耦合分布，为排气阀的优化设计提供理论依据。
关键词：排气阀；有限元；温度场；应力场
1 前言
随着内燃机强度的提高，其内部各零部件势必要承受更高强度的机械负荷和热负荷，工作环境也更加的恶劣[1]。其中作为高温燃烧室重要零件之一的排气阀，既承受着燃烧室的高温循环波动，高压循环波动，有承受着高温腐蚀性废气的高速冲刷，不易润滑冷却，并且在工作中高速刚性的冲击气门底座，可以称为是内燃机工作环境最恶劣的零部件之一。所以结合有限元软件对其进行温度场及应力场计算研究，并探讨其变化规律，具有一定的实际意义。
2 温度场的数值模拟及分析
排气阀在工作时分为两个状态，分别是开启状态和闭合状态。其中闭合状态约占整个工作过程的75%，所以本文研究的主要为闭合状态。本文选用的柴油机模型为6S50MC-C柴油机，其基本技术参数及给定条件如表1所示。
表1 6s50MC-C柴油机的主要参数
2.1 热边界条件的计算
实际的工程问题要确定边界条件是非常困难的，但鉴于它的重要性，由温度场的连续条件方程研究得出在数学物理中常遇到的三类边界条件：
第一类边界条件研究的是在给出物体的表面温度，或者给出物体表面的温度函数时，对于定常导热过程，来确定物体内部的温度场的分布情况。
（1）
第二类边界条件是给出流过物体表面的热流量Q：的情况来计算物体的温度场。对于定常的传热过程，根据傅里叶定律，得出第二类边界条件的表达式
（2）
第三类边界条件是根据物体与周围介质之间的温度分布、换热系数等来计算物体受热后的温度场。它实际上是第一类边界条件和第二类边界条件的结合。
（3）
根据排气阀的实际运行状况和实验室的实验手段，要精确得到热分析的第一类边界条件或第二类边界条件，即排气阀的表面温度或流过排气阀表面的热流密度几乎是不可能的，所以在理论分析和仿真研究中都是采用第三类边界条件来分析排气阀的温度场[2]。为了求解排气阀温度场，一般来说，我们先将柴油机排气阀分为四个区域进行分析，如图1所示。
图1 排气阀4个基本区域
对于这4个区域的换热系数的计算方法我们可以参照参考文献[3]，通过计算我们得到不同区域的平均换热系数。
2.2 有限元模型的建立及計算
在进行网格划分之前，首先定义单元类型，本文选用的单元类型是做热力学分析的8节点solid70划分单元网格，然后我们需要确定材料的各项参数，6S50MC-C柴油机排气阀采用的是德国S17MOS耐热合金钢，结合实际情况本次试验研究采用的是与之性能相近的国产21-4N 奥氏体钢。
表2 21-4N 的物理特性
定义材料的属性后，可以通过设置网格控制来设定网格密度，生成网格。本文采用ANSYS自带的Smart Sizing网格划分工具进行网格划分。网格划分后，模型共含有18558个单元，根据计算得出的作用在排气阀表面的边界条件，利用ANSYS软件的稳态热分析模块对排气阀进行计算，得到排气阀温度场分布图，如图2所示。
图2 排气阀的温度场分布云图
通过计算结果我们可以得出：
1. 排气阀的温度场分布是比较均匀的，总体上来说是从底部往上温度逐渐降低，其中最高温度为681℃，处在排气阀底座处，这是因为在关闭工况下，燃烧室处于工作状态，此时燃烧室内空气温度极高，故而排气阀的底座的温度最高。2. 排气阀导杆部位温度较低，其中气门顶部温度最低，约为206℃，气门导杆部分的气体则是开启工况时残余的废气，温度远远低于燃烧室内的气体温度，气门杆顶部则由于与气缸盖冷却水套相接处，故而温度最低。同时根据我们所求的换热系数来看，气门底座和气门锥面的换热系数也是远高于气门导杆和气门杆顶部，所以才会有这样的温度场分布。3. 排气阀气门座圈温度比气门锥面低，这主要是排气阀关闭时，气门座圈与气缸盖相接触，一部分热量通过气缸带走，故而这部位的温度比气门锥面低。
3 应力场的数值模拟及分析
3.1 热应力的数值及分析
温度应力又称为热应力，它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致，相互约束而产生的内应力[4]。排气阀的热应力主要取决于温度场的分布，排气阀热性能与机械性能对热应力也有很大的影响，因此需要了解排气阀材料的热性能和机械性能与温度的关系。在得到排气阀的温度场之后，就要对排气阀进行应力分析。应力分析前，应该在ANSYS中重新设置单元类型，在单元类型选项中选择转变单元类型，然后在弹出窗口中选择热力单元转变为结构单元。然后定义材料属性，定义材料的弹性模量和泊松比，定义材料的热膨胀系数等。定义好单元属性和材料属性后，在ANSYS求解模块中定义约束，排气阀在关闭情况下座圈与气缸盖相接触，此处设置x，z方向约束。最后施加温度场的边界条件，导入温度场的物理文件，选择从热力分析结果中导入温度场计算结果，找到温度场计算得到的温度场计算结果文件后导入，然后求解计算。计算结果如图3所示。
图3 排气阀热应力分布
从图上我们可以看出，应力出现的最大区域位于排气阀气门座圈处，其中最大应力为278MPa，气门座圈应力总体范围处于247MPa，从气门锥面到气门顶部的整个区域，应力都很小，最低应力为34MPa，这是因为这些区域内温度较低，同时没有外界给予约束，所以此时的热应力相比于气门座圈要低很多。 3.2 机械应力的数值及分析
柴油机的排气阀在工作时承受着往复惯性力、高温高压燃气的压力和气门弹簧的拉力的作用[5]。在机械应力的作用下，排气阀的内部会产生很大的应力和变形。如图4为6S50MC-C柴油机燃烧室内爆发压力分布曲线。
图4 柴油机的P-ψ图
通过此图我们得知6S50MC-C柴油机的汽缸内的最高爆发压力Pz=15.4MPa，作用于排气阀底面，为了使排气阀受力后保持力学平衡，必须设置约束，我们将排气阀气门座圈的y方向进行约束，排气阀顶部x，y，z方向进行全约束，完成力学平衡。根据上文设定的材料属性、单元类型、边界条件、负载条件等，在ANSYS中进行计算分析，得到如下分析结果，如图5。
通过结果我们得知：其中最大应力值为105MPa，最大应力区域为气门座圈处，其应力值范围为93.7MPa-105MPa。这是由于排气阀底座受到气体压力的作用，但在气门座圈处受到y轴方向的约束，产生较大的压应力，出现应力集中的现象。
3.3 热-机械耦合应力的数值及分析
图5 排气阀机械应力分布
在有限元分析中，考虑两种或两种以上的物理场之间相互作用和耦合的研究称为耦合场分析，耦合场分析与其所涉及的物理场密切相关，根据分析方法的不同，耦合场分析可以分为直接耦合和顺序耦合。对于排气阀的热一结构耦合分析，本文采用顺序耦合方法，先求取排气阀的温度场，再把温度场作为边界条件与机械负荷共同作用在结构分析中，实现机械负荷与热负荷的耦合分析[6]。具体结果如下：
图 6 排氣阀耦合应力分布
从图上我们可以看出，排气阀耦合应力最大值为221Mpa，位于气门座圈的边缘位置，整个气门座圈属于应力集中区域，应力范围在194-221MPa。
4 结论
（1）对排气阀工作时的热负荷进行分析，确定排气阀的边界条件，对排气阀在关闭工况下的温度场进行了计算，得到了温度场的分布云图，为后面应力场的计算奠定了基础。
（2）通过上面求得的温度场作为边界条件，施加相应的约束，得到关闭工况下的热应力分布，机械应力分布和热-机械耦合应力分布，通过云图我们得知，排气阀在工作时的最大应力为221MPa，位于排气阀气门座圈处，气门座圈是排气阀应力最大最集中的区域。
（3）通过对排气阀的分析计算，采用ANSYS对其工作温度场和应力场进行有限元分析，能够了解排气阀的温度和应力分布趋势，为进一步确定其可靠性和寿命提供依据，同时也为排气阀负荷状况的改善提供解决方案，具有一定的实用价值。
参考文献
[1] W.H.克劳斯，李兴林译.汽车发动机设计[M].北京：科学出版社， 2012
[2] 王致钊.柴油机气门失效分析及其改进策略[D].天津：天津大学，2005
[3] 吴珥明.排气阀热边界条件分析及温度场有限元计算[J].柴油机，2009（4）
[4] 骆清国.柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究[J].兵工学报，2008（7）
[5] 李迎.发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真[J].内燃机学报，2007（3）
[6] 王景，李永飚.基于ANSYS的发动机气门热-应力耦合分析[J].科技创新与应用，2013-34
作者简介：
曲诚，学校：大连海洋大学，专业：农业机械化工程，研究方向：船舶动力装置性能与优化。
关键词：排气阀；有限元；温度场；应力场
1 前言
随着内燃机强度的提高，其内部各零部件势必要承受更高强度的机械负荷和热负荷，工作环境也更加的恶劣[1]。其中作为高温燃烧室重要零件之一的排气阀，既承受着燃烧室的高温循环波动，高压循环波动，有承受着高温腐蚀性废气的高速冲刷，不易润滑冷却，并且在工作中高速刚性的冲击气门底座，可以称为是内燃机工作环境最恶劣的零部件之一。所以结合有限元软件对其进行温度场及应力场计算研究，并探讨其变化规律，具有一定的实际意义。
2 温度场的数值模拟及分析
排气阀在工作时分为两个状态，分别是开启状态和闭合状态。其中闭合状态约占整个工作过程的75%，所以本文研究的主要为闭合状态。本文选用的柴油机模型为6S50MC-C柴油机，其基本技术参数及给定条件如表1所示。
表1 6s50MC-C柴油机的主要参数
2.1 热边界条件的计算
实际的工程问题要确定边界条件是非常困难的，但鉴于它的重要性，由温度场的连续条件方程研究得出在数学物理中常遇到的三类边界条件：
第一类边界条件研究的是在给出物体的表面温度，或者给出物体表面的温度函数时，对于定常导热过程，来确定物体内部的温度场的分布情况。
（1）
第二类边界条件是给出流过物体表面的热流量Q：的情况来计算物体的温度场。对于定常的传热过程，根据傅里叶定律，得出第二类边界条件的表达式
（2）
第三类边界条件是根据物体与周围介质之间的温度分布、换热系数等来计算物体受热后的温度场。它实际上是第一类边界条件和第二类边界条件的结合。
（3）
根据排气阀的实际运行状况和实验室的实验手段，要精确得到热分析的第一类边界条件或第二类边界条件，即排气阀的表面温度或流过排气阀表面的热流密度几乎是不可能的，所以在理论分析和仿真研究中都是采用第三类边界条件来分析排气阀的温度场[2]。为了求解排气阀温度场，一般来说，我们先将柴油机排气阀分为四个区域进行分析，如图1所示。
图1 排气阀4个基本区域
对于这4个区域的换热系数的计算方法我们可以参照参考文献[3]，通过计算我们得到不同区域的平均换热系数。
2.2 有限元模型的建立及計算
在进行网格划分之前，首先定义单元类型，本文选用的单元类型是做热力学分析的8节点solid70划分单元网格，然后我们需要确定材料的各项参数，6S50MC-C柴油机排气阀采用的是德国S17MOS耐热合金钢，结合实际情况本次试验研究采用的是与之性能相近的国产21-4N 奥氏体钢。
表2 21-4N 的物理特性
定义材料的属性后，可以通过设置网格控制来设定网格密度，生成网格。本文采用ANSYS自带的Smart Sizing网格划分工具进行网格划分。网格划分后，模型共含有18558个单元，根据计算得出的作用在排气阀表面的边界条件，利用ANSYS软件的稳态热分析模块对排气阀进行计算，得到排气阀温度场分布图，如图2所示。
图2 排气阀的温度场分布云图
通过计算结果我们可以得出：
1. 排气阀的温度场分布是比较均匀的，总体上来说是从底部往上温度逐渐降低，其中最高温度为681℃，处在排气阀底座处，这是因为在关闭工况下，燃烧室处于工作状态，此时燃烧室内空气温度极高，故而排气阀的底座的温度最高。2. 排气阀导杆部位温度较低，其中气门顶部温度最低，约为206℃，气门导杆部分的气体则是开启工况时残余的废气，温度远远低于燃烧室内的气体温度，气门杆顶部则由于与气缸盖冷却水套相接处，故而温度最低。同时根据我们所求的换热系数来看，气门底座和气门锥面的换热系数也是远高于气门导杆和气门杆顶部，所以才会有这样的温度场分布。3. 排气阀气门座圈温度比气门锥面低，这主要是排气阀关闭时，气门座圈与气缸盖相接触，一部分热量通过气缸带走，故而这部位的温度比气门锥面低。
3 应力场的数值模拟及分析
3.1 热应力的数值及分析
温度应力又称为热应力，它是由于构件受热不均匀而存在着温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致，相互约束而产生的内应力[4]。排气阀的热应力主要取决于温度场的分布，排气阀热性能与机械性能对热应力也有很大的影响，因此需要了解排气阀材料的热性能和机械性能与温度的关系。在得到排气阀的温度场之后，就要对排气阀进行应力分析。应力分析前，应该在ANSYS中重新设置单元类型，在单元类型选项中选择转变单元类型，然后在弹出窗口中选择热力单元转变为结构单元。然后定义材料属性，定义材料的弹性模量和泊松比，定义材料的热膨胀系数等。定义好单元属性和材料属性后，在ANSYS求解模块中定义约束，排气阀在关闭情况下座圈与气缸盖相接触，此处设置x，z方向约束。最后施加温度场的边界条件，导入温度场的物理文件，选择从热力分析结果中导入温度场计算结果，找到温度场计算得到的温度场计算结果文件后导入，然后求解计算。计算结果如图3所示。
图3 排气阀热应力分布
从图上我们可以看出，应力出现的最大区域位于排气阀气门座圈处，其中最大应力为278MPa，气门座圈应力总体范围处于247MPa，从气门锥面到气门顶部的整个区域，应力都很小，最低应力为34MPa，这是因为这些区域内温度较低，同时没有外界给予约束，所以此时的热应力相比于气门座圈要低很多。 3.2 机械应力的数值及分析
柴油机的排气阀在工作时承受着往复惯性力、高温高压燃气的压力和气门弹簧的拉力的作用[5]。在机械应力的作用下，排气阀的内部会产生很大的应力和变形。如图4为6S50MC-C柴油机燃烧室内爆发压力分布曲线。
图4 柴油机的P-ψ图
通过此图我们得知6S50MC-C柴油机的汽缸内的最高爆发压力Pz=15.4MPa，作用于排气阀底面，为了使排气阀受力后保持力学平衡，必须设置约束，我们将排气阀气门座圈的y方向进行约束，排气阀顶部x，y，z方向进行全约束，完成力学平衡。根据上文设定的材料属性、单元类型、边界条件、负载条件等，在ANSYS中进行计算分析，得到如下分析结果，如图5。
通过结果我们得知：其中最大应力值为105MPa，最大应力区域为气门座圈处，其应力值范围为93.7MPa-105MPa。这是由于排气阀底座受到气体压力的作用，但在气门座圈处受到y轴方向的约束，产生较大的压应力，出现应力集中的现象。
3.3 热-机械耦合应力的数值及分析
图5 排气阀机械应力分布
在有限元分析中，考虑两种或两种以上的物理场之间相互作用和耦合的研究称为耦合场分析，耦合场分析与其所涉及的物理场密切相关，根据分析方法的不同，耦合场分析可以分为直接耦合和顺序耦合。对于排气阀的热一结构耦合分析，本文采用顺序耦合方法，先求取排气阀的温度场，再把温度场作为边界条件与机械负荷共同作用在结构分析中，实现机械负荷与热负荷的耦合分析[6]。具体结果如下：
图 6 排氣阀耦合应力分布
从图上我们可以看出，排气阀耦合应力最大值为221Mpa，位于气门座圈的边缘位置，整个气门座圈属于应力集中区域，应力范围在194-221MPa。
4 结论
（1）对排气阀工作时的热负荷进行分析，确定排气阀的边界条件，对排气阀在关闭工况下的温度场进行了计算，得到了温度场的分布云图，为后面应力场的计算奠定了基础。
（2）通过上面求得的温度场作为边界条件，施加相应的约束，得到关闭工况下的热应力分布，机械应力分布和热-机械耦合应力分布，通过云图我们得知，排气阀在工作时的最大应力为221MPa，位于排气阀气门座圈处，气门座圈是排气阀应力最大最集中的区域。
（3）通过对排气阀的分析计算，采用ANSYS对其工作温度场和应力场进行有限元分析，能够了解排气阀的温度和应力分布趋势，为进一步确定其可靠性和寿命提供依据，同时也为排气阀负荷状况的改善提供解决方案，具有一定的实用价值。
参考文献
[1] W.H.克劳斯，李兴林译.汽车发动机设计[M].北京：科学出版社， 2012
[2] 王致钊.柴油机气门失效分析及其改进策略[D].天津：天津大学，2005
[3] 吴珥明.排气阀热边界条件分析及温度场有限元计算[J].柴油机，2009（4）
[4] 骆清国.柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究[J].兵工学报，2008（7）
[5] 李迎.发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真[J].内燃机学报，2007（3）
[6] 王景，李永飚.基于ANSYS的发动机气门热-应力耦合分析[J].科技创新与应用，2013-34
作者简介：
曲诚，学校：大连海洋大学，专业：农业机械化工程，研究方向：船舶动力装置性能与优化。