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使用ABAQUS对某发动机气门失效进行分析并改进

熊志鑫,操安喜

上海海事大学海洋环境与工程学院

摘要:发动机工作时，气门通常会受到一个较大的落座力。落座力可能会对气门产生一些破坏性的作用。在气门结构设计不合理时，这种效应尤其明显。冲击力作用下，气门可能会产生应力波，其中包含产生破坏的塑性应力波。本文采用Abaqus/Explicit对气门进行动力

学分析，分析当前结构下气门受落座力时的结构破坏。最后，本文基于应力波理论，对该

气门结构进行了改进，并比较了改进结果。

关键词:气门，Abaqus/Explicit，应力波理论，疲劳损伤

1.简介

发动机工作的环境通常是非常恶劣的，其中包括很高的环境温度，以及各种各样的载

荷。

气门作为发动机中一个非常重要的部件，通常是在几百度的环境下工作的，另外，发

动机在工作时，气门会产生很大的落座力。气门在高温下受到冲击载荷的情况下，极有可

能产生破坏。

本文采用Abaqus/Explicit对某气门进行动力学分析，分析其失效的可能原因，并对结构进行改进。

1.1问题描述

如下图所示，是某发动机气门发生破坏的图：

图1.气门失效图

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气门发生断裂的位置一般在气门截面变化处，如下图所示：

图2.气门失效位置

1.2可能失效的原因汇总

?配气相位紊乱。进气提前角过大，导致活塞和气门相撞，气门头部受到一个来自活

塞的弯矩而导致气门断裂。

?活塞和气门之间的装配间隙过小，导致活塞和气门撞击。

?气门弹簧弹性过小，预紧力过小，导致气门不能及时归位。

?气门座圈松动，导致气门落座位置不对。

?锁夹装配不紧，撞击时造成锁夹脱落。

?气门实际工作温度高于设计温度，尤其是排气门温度过高。导致气门局部材料局部

材料退火，金相组织转变，机械强度变低。这会造成气门颈部断裂。

?气门锥面磨损的原因只要有：积碳、气门间隙不当、落座冲击大、旋转速度过快。

气门落座时，撞击座圈的速度极大，对于采用摩擦焊的气门来说，速度可以达到

0.5-0.8m/s。撞击事件极短，凸轮每个工作周期为15ms，撞击时间只占工作周期的很小一部分。

本文将采用动力学方法研究气门撞击过程。

2.气门撞击座圈过程模拟

实际中，气门断裂大多数情况是发动机运行一段时间后发生的（有的几十分钟，有的几小时），这说明气门并不是一瞬间拉断的。我们要研究的是每次撞击下，气门造成的损

伤。

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2.1应力波理论及损伤累计理论

气门撞击座圈时，在大头端会产生应力波。其中包含线性的弹性波和非线性的塑性波

和冲击波。应力波在材料内以纵波的形式传播，在端面处反射，遇到截面变化处，应力波将发生反射和透射。其中弹性波不会会引起的材料的弹性应变，不会造成材料的损伤；而

塑性波和冲击波会引起材料的塑性应变，从而导致材料损伤。这样应力波的能量就转化为

材料的塑性应变能了。

一般的疲劳理论有两种：无限寿命理论和有限寿命理论。

无限寿命理论是基于应力疲劳理论。因为应力是可恢复的，每次损伤材料的应力不能

累积起来，应力只能造成一次损伤。

有限寿命理论是基于应变疲劳理论。塑性应变可以被材料记忆，每次造成的塑性应变

可以累积。累积到一定值时，材料失效。

每次撞击下，气门产生的塑性应变不会消除（除非进行退火处理），而是被材料记忆

下来，这样每次造成的损伤将累积下来。当累积到材料的承受极限（5Cr21Mn9Ni4N约为

0.08）时，气门断裂。

2.2问题描述及材料本构关系

大头处受一个瞬态的冲击拉力作用，拉力作用的时间等于气门内应力波通过一个波前

长度所需要的时间。作用力时间=波前长度/材料波速。

这是个高速动力学问题，需要采用合适的本构关系来描述因为高速加载造成的塑性应

变率依赖关系。同时需要建立材料失效模式，来定义材料的失效。

Johnson-Cook材料是一个描述金属高速加载效应的粘塑性模型，其本构关系的解析式如下：

σ=(A+Bεn)(1+Clnε?*)(1?(T*)m)

ε?*=ε?ε?

/

是无量纲塑性应变率，ε?0是准静态实验的应变率。式中：ε塑性应变；

0

材料的失效标准采用等效塑性应变来定义。

2.3分析结果

塑性应变能曲线：

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材料吸收的塑性应变能

可见，大约0.9ms时，塑性应便能达到稳定值，也就是说塑性应力波和冲击波被吸

收完了

气门内的塑性应变分布：

塑性应力波完全被消耗时，气门内的塑性应变分布如下图所示，应变最大处和实际断

裂位置一致。

这次碰撞产生的塑性应变不会消除，而是被结构记忆下来，经过约10次碰