1 引言

斷裂失效是氣門常見的一種失效方式，往往對發(fā)動機造成毀滅性破壞，輕者需修理，重者要更換整機。這樣給用戶和制造廠都造成了巨大的利益損害。因此，柴油機廠、各大汽配件廠乃至國家科委都對提高氣門的質量給予了的高度關注。張效工等針對氣門落座對排氣門失效的影響進行了研究，研究了不同參數(shù)對氣門落座特性的影響

。氣門頸部是應力集中的最嚴重的區(qū)域之一，但是關于氣門結構對氣門失效影響的研究卻很少，王景等人通過有限元模擬研究了氣門盤部結構對氣門失效的影響

。但是關于氣門頸部結構尺寸變化對氣門失效的影響研究卻很少，基于各種軟件的優(yōu)勢不同，本文利用SolidWorks三維軟件進行建立氣門模型，再把三維模型導入到有限元軟件進行溫度或應力分析，改變參數(shù)，通過對比進行結構優(yōu)化，為氣門頸部結構優(yōu)化設計提供參考依據(jù)。

2 氣門頸部結構特征

氣門頸部結構是桿部與盤部的過渡部分，存在著應力集中，而且會受到高溫、高腐蝕性氣體的沖刷，存在著氣門的第二熱點，其工況條件非常惡劣。這也是頸部常發(fā)生彎曲疲勞斷裂的原因所在。因此頸部結構的合理性顯得尤為重要。氣門頸部結構有下面三種：①圓弧型②圓弧+過渡錐角型③圓弧+過渡錐角+背錐角型，氣門頸部結構如圖1。

圓弧型加工起來比較簡單，圓弧直接把桿部和盤部相連，但是應力集中比較嚴重，因此只適合小型普通發(fā)動機，圓弧+過渡錐角型氣門加工起來比圓弧型略為復雜，但是頸部和盤部的平順性大大提高。圓弧+過渡錐角+背錐角型氣門加工起來比前面兩種復雜，但其過渡區(qū)域的平順性最好，適應于負荷較大的發(fā)動機。

氣門在發(fā)動機工作時會出現(xiàn)盤部掉頭、頸部斷裂、盤部翹曲變形等損壞現(xiàn)象，不僅會導致氣門的失效，嚴重者甚至會導致發(fā)動機的損毀造成惡性事故，為了改善氣門的性能，提高氣門質量，對頸部結構參數(shù)頸部過渡錐角β和過渡半徑R進行設計優(yōu)化。過渡半徑R和過渡錐角β不僅對通過氣門頸部的氣流有較大影響，還影響著頸部應力集中的程度和分布的均勻程度。R的范圍一般為(0.2～0.5)D，D為盤外圓直徑，β的范圍一般為15°～30°，且在盤部厚度一定的情況下，過渡半徑R和過渡錐角β決定了氣門頭部的剛度

。為了提高氣門的質量和壽命水平，對氣門進氣門的結構優(yōu)化顯得尤為必要，頸部特征結構如圖2。過渡區(qū)域為應力分布的敏感區(qū)，可以基于參數(shù)化的形式，分析應力隨頸部結構變化的規(guī)律，從而來確定最優(yōu)解。

3 進氣門頸部的結構優(yōu)化方案

優(yōu)化設計就是一種尋求最優(yōu)化方案的技術，所謂“最優(yōu)化”是指在滿足全部設計要求的情況下，達到一個最佳的設計目標，比如重量最輕、應力最小、體積最小、成本最低、性能最好等。目前工程上最用的最多的一種優(yōu)化方法為幾何優(yōu)化，即采用的是人機交互的方式，先根據(jù)部件的原有結構用SolidWorks建立模型，然后進行性能的分析，再對結構進行修改，繼續(xù)導入分析軟件進行分析，反復的設計分析，直到達到最優(yōu)的設計目的。對結構的修改，必須遵照《設計手冊》，即修改的結構尺寸須在規(guī)定的范圍內。

由圖2可知，現(xiàn)有進氣門盤外圓直徑D為55 mm，過渡圓弧半徑為15mm，過渡錐角β為15°。此時以過渡圓弧半徑R和過渡錐角β為變量，對等效應力進行分析比較，根據(jù)R與D值之間的關系，且R和β都不能過大否則會使結構發(fā)生干涉，此時可將R的變化為13mm、15mm、17mm、19mm、21mm、23mm。β的變化為15°、17°、19°、21°、23°、25°?？梢缘玫綄膮?shù)設計表，如表1。

因此可以根據(jù)R來分組，一共可采集36個數(shù)據(jù)，共可以分成6組進行分析。首先分析第一組，即R=13mm時，β分別為15°、17°、19°、21°、23°、25°。分別對軸向應力分布，盤部應力分布進行分析對比。

目前業(yè)界內變形分析的因子抽取，普遍是基于主成分分析、獨立成分分析、典型相關性分析及偏最小二乘回歸分析的原理進行抽取和變換的，其主要缺點包括[4-7]：主成分分析、獨立成分分析側重于因子側的最大化信息表述和抽取，典型相關性分析側重于效應量和因子的相關性最大化，都不夠全面；典型相關性分析和偏最小二乘回歸分析都只能考察變量的線性相關性，對于非線性系統(tǒng)則容易失真；數(shù)據(jù)的預處理也極為重要，如果對未經降噪、去量綱、時序對齊等預處理的因子樣本直接進行統(tǒng)計分析，那分析結論的精度通常是不可接受的。

本文采用的是單一變量法，即控制其中的一個參數(shù)不變，改變另一個參數(shù)，以等效應力為優(yōu)化目標，查看等效應力的分布，計算出等效應力的大小，然后進行結果的分析比較，找出最優(yōu)解或最優(yōu)解的范圍，本文試驗樣品的尺寸如圖3。

4 計算結果分析

通過計算可以得到以下六祖進氣門應力徑向與軸向分布結果。

圖4為六組數(shù)據(jù)中，氣門軸向最大應力變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，各組軸向最大應力變化基本一致，過渡錐角β和過渡圓弧半徑R對最大應力的變化皆有較大影響，變化規(guī)律為：β在15°～21°變化時，最大應力值隨著β的增大而減?。划敠略?1°～25°變化時，最大應力值是遞增的，故在β=21°時，最大應力最小。這是因為當β增大的同時，頭部剛性會增加，氣門的變形會減少，故相應的應力值也會減少，β繼續(xù)增加時，氣門質量成為影響最大應力的主要因素，這時β越大質量越大，氣門落力增幅較明顯，所以最大應力程增長趨勢。過渡圓弧半徑R在13mm～21mm變化時，半徑越大，最大應力值就越??；R大于21mm時，半徑越大，最大應力值越大，在R=21mm時，最大應力值最小。R在13mm ～ 21mm變化時，影響最大應力的因素是氣門通流面積，當R增大時，氣門通流面積增大，通流面積越大，應力值反而越小，所以應力值會隨著半徑增大呈遞減趨勢；當R繼續(xù)增大時影響最大應力的主要因素是氣門質量，過渡圓弧半徑越大，質量越大，最大應力值也就越大。綜合分析在β=21°，R=21mm時最大應力值最小，質量最優(yōu)。

試樣的干密度也會對試樣強度產生影響,由圖5可知,混合物試樣的強度主要是由膨潤土承擔.純膨潤土試樣的干密度為1.5 g/cm3,而在摻砂混合物試樣中,膨潤土的干密度可用膨潤土有效干密度ρb的概念[13]進行計算:

圖5為氣門盤部表面徑向應力變化，各組盤部應力隨β與R的變化趨勢基本相同，β在15° ～21°變化時，盤部最大應力呈遞減趨勢，而β在21°～25°之間時，盤部最大應力呈遞增趨勢。在β=21°，盤部最大應力值最小。這是由于β增大，氣門頭部變厚，變形就會減小，最大應力值也就隨之減小；當β大于21°時，隨著β的增大，氣門頭部質量也會增大，此時氣門落座力增幅較明顯，所以最大應力值就會隨著β的增大呈增長趨勢。把β相同，但R值不用的結果進行比較，可以發(fā)現(xiàn)：R從13mm增大到19mm時，盤部的最大應力值隨著R的增大而減小；R大于19mm時，盤部最大應力值繼續(xù)增加，在R=19mm時盤部最大應力值最小。這是由于R增加，過渡處的平順性也會提高，應力集中程度會降低，最大應力值也會相應減少；當R大于19mm時，質量成為影響最大應力的主要因素，R增加，質量也會相應增加，且此時落座力增幅相對較大，所以盤部最大應力值程增長趨勢。綜合分析可得，當β=21°，R=19mm時，盤部最大應力值最小。

我國的水法、防洪法、河道管理條例以及一些部門、地方規(guī)章，都規(guī)定禁止在河道、堤防及其管理范圍內種植林木和高稈作物。水法第三十七條規(guī)定：禁止在江河、湖泊、水庫、運河、渠道內棄置、堆放阻礙行洪的物體和種植阻礙行洪的林木及高稈作物。防洪法第二十二條第二款規(guī)定：禁止在行洪河道內種植阻礙行洪的林木和高稈作物。河道管理條例第二十四條規(guī)定：在河道管理范圍內，禁止修建圍堤、阻水渠道、阻水道路；種植高稈農作物、蘆葦、杞柳、荻柴和樹木（堤防防護林除外）。第二十條規(guī)定：有堤防的河道，其管理范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地（包括可耕地）、行洪區(qū)，兩岸堤防及護堤地。

現(xiàn)在各類跨境電商比賽很多。要想通過比賽促進跨境電商專業(yè)教學，比賽絕不能脫離跨境電商崗位實際。學生參加的跨境電商比賽至少要有網店開設、網店產品發(fā)布、網店裝修、網店運營與營銷策劃推廣、網店客戶服務與管理及跨境電商物流等跨境電商必有的幾個任務模塊。

5 小結

本文簡述了氣門頸部應力分析的傳熱理論及頸部結構的優(yōu)化方法，并且對等效應力的表達進行了闡述。通過SolidWorks建立不同參數(shù)下的模模型，并利用Abaqus進行應力了熱-應力耦合分析，獲得了不同參數(shù)下氣門軸向應力分布以及氣門盤部應力分布曲線，分析表明：選用β=21°，R=21mm是，其軸向最大應力值最小，選用β=21°，R=19mm時盤部最大應力最小。由于β=21°，R=21mm的盤部最大應力值與β=21°，R=19mm的盤部最大應力值相差不大，綜合考慮最優(yōu)參數(shù)組合應選用β=21°，R=21mm，即過渡錐角為21°，過渡圓角半徑為21mm。綜合考慮結構參數(shù)對軸向應力與盤部應力的影響，對氣門進行優(yōu)化設計，不僅能對企業(yè)提高氣門質量有一定的參考，還能對氣門工作條件有改善作用，延長氣門的使用壽命，提高企業(yè)效益。

[1]張效工,陳法成.內燃機氣門落座特性的研究[J].內燃機工程,1980,1(2):23-35.

[2]王景.氣門盤部凹槽結構的參數(shù)化設計及其應力與變形形態(tài)研究[D].武漢理工大學,2011.

[3]胡巍.柴油機進氣門頸部斷裂失效分析及結構優(yōu)化[D].南華大學,2016.

[4]江文廣,莫曉騰.發(fā)動機氣門頸部結構設計參考[J].汽車工藝師,2019(03):58-60.DOI:10.16173/j.cnki.ame.2019.03.016.

[5]李厚佳,盧平.基于ANSYS的氣門盤部設計參數(shù)對應力分布影響的研究[J].機械,2008,(04):31-34.

[6]王景,許娜.基于ANSYS的氣門盤部凹槽參數(shù)化建模系統(tǒng)開發(fā)[J].精密制造與自動化,2016(03):26-28.DOI:10.16371/j.cnki.issn1009-962x.2016.03.007.