20120308有限元分析方法在弹簧设计中的应用-v2.docVIP

有限元分析方法在气门弹簧设计中的应用 郭立新 姜志明 韩颖 （无锡泽根弹簧有限公司，江苏无锡214072） 摘要：本文以某变刚度气门弹簧为研究对象，利用有限元分析方法,在考虑了气门弹簧实际工作过程中的大变形、各组件接触关系和摩擦的基础上，建立了气门弹簧、弹簧座的三维有限元组合模型。在此有限元分析模型的基础上，对该气门弹簧在不同载荷下进行了三维有限元计算。通过有限元仿真计算，快速地得到了变刚度气门弹簧弹性特性曲线，并依据计算结果对该弹簧进行了静强度和疲劳强度校核及固有频率分析。 关键词:有限元分析；气门弹簧 Application of Finite Element Method in Designing Valve Spring GUO Li- (Wuxi Sawane Spring Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214072) ABSTRACT: In this paper, large deformation and the nonlinear contact boundary conditions of a variable stiffness valve spring, friction were taken into account by using finite element analysis method．3D finite element analytical models of the valve spring and the valve spring retainer are established for analysis．The valve spring was simulated under variable loading．At the same time，the stiffness property curve of the variable stiffness valve spring is obtained by FEA．According to simulation results, the static intensity and fatigue intensity, natural frequency of vibration of the valve spring are checked． Key Words: Finite Element Method; Valve Spring 引言 气门弹簧是发动机配气机构的重要零件, 用于吸收气门在开闭过程中各传动零件所产生的惯性力，防止各传动件彼此分离而破坏配气机构正常工作，保证气门按照配气凸轮所规定的规律运动。气门弹簧使气门能及时回位关闭，并在气门关闭后,依靠弹力使气门与气门座的紧密结合，密封气缸中的高温高压燃气。 气门弹簧承受着高频交变载荷的作用，特别是随着内燃机强化指标的不断提高，对气门弹簧的设计提出了更高的要求。为保证气门弹簧可靠地工作，其应有合适的弹力、足够的强度和抗疲劳性能，并避免发生共振。以往的经验设计方法存在较大的简化，已经满足不了现代设计的需要。有限元分析方法（FEM）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，已经广泛应用于航空、航天和汽车等领域。在气门弹簧设计阶段初期，利用有限元分析方法可以获得气门弹簧特性曲线及其应力分布、变形等信息，为弹簧开发设计提供参考，进而缩短气门弹簧设计周期，降低成本。 1 有限元分析的基本原理 有限元分析法的基本思路为：将连续系统分割成有限数目的分区或单元，对每个单元提出一个近似解，再将所有单元按标准方法加以组合，从而形成原有系统的一个数值近似系统，也就是形成相应的数值模型。因此，有限元分析法建立在结构离散化计算模型的基础上，即把连续弹性体离散成为一群仅在节点处相互连接的有限数目单元的集合体。其基本方程为： [k]{δ}={P} 式中，[k]为结构的刚度系数矩阵，由每个单元的刚度矩阵叠加而成，阶数为N×N (N=NP×NF), NP为离散节点总数，NF为节点在总体坐标系的自由度数。{P}为节点的载荷阵列，{δ}为节点的位移阵列，阶数为N×M，这里的M是相对载荷的位移数组。 解这个方程可以得到各个节点的节点力和节点位移，相应的可以求出节点的应力、应变等数值。 2 气门弹簧有限元模型 当气门弹簧的工作频率与其自身振动频率相等或成某一倍数时，将会发生共振。强烈的共振将破坏气门的正常工作，导致气门反跳、落座冲击，并可使气门弹簧折断。为了防止共振和颤振现象，气门弹簧越来越多地选用非线性螺旋弹簧，即变刚度弹簧，有效地防止气门弹簧共振的发生。与普通圆柱螺旋弹簧不同的是，变刚度圆柱螺旋弹簧的刚度随变形的增加而增加。目前，可