Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 16
Текст из файла (страница 16)
3.6.). Следующий этап - решение задачи стационарной теплопроводности при номинальной мощности дизеля Ре=3676 кВт (при 1000 об/мин). Многочисленные опытные данные показывают, что тепловое состояние деталей камеры сгорания (крышки и втулки цилиндра, поршня) на установившемся режиме работы практически не меняется, поэтому для расчета теплового состояниякрышки цилиндра использовано уравнение стационарной теплопроводности.Рис. 3.5. Твердотельная модель крышки цилиндра дизеля Д49 с наклонной форсункой101Рис.
3.6. Конечно-элементная модель крышки цилиндра. Модельсостоит из 115687 квадратичных тетраэдальных элементовГраничными условиями по теплообмену со стороны огневой поверхности,газовых каналов, а также со стороны полостей охлаждения являлись граничныеусловия III рода - средний за цикл коэффициент теплоотдачи и средняя резуль-102тирующая температура окружающей среды. Расчет граничных условий производился по методике, разработанной на кафедре поршневых и комбинированных ДВС МГТУ им.
Баумана. Коэффициент теплопроводности материалакрышки — чугуна ВПЧ-НМ — задавался в зависимости от температуры (Таблица4.) по данным [4].Таблица 4. Зависимость теплофизических свойств высокопрочногочугуна ВПЧ от температуры100150250300350т,°с200400X, Вт/м2К27,528,629,329,8303030а-10"6, 1/К1,021,091,151,201,231,241,27Е-105,МПА1,65—1,59—1,51—1,43Расчетное температурное поле крышки приведено на рис. 3.7. Наиболее нагретыми элементами являются центральная часть (район форсуночного отверстия) и перемычки между впускными и выпускными клапанами.
Средняя температура в районе впускной и выпускной перемычек 315°С и 340°С соответственно не выходит за рамки приведенных в работе [3] допустимых значений в360..370°С для данного типа конструкции и материала.На рис. 3.8. представлено распределение температур в крышке цилиндрасо стороны полости охлаждения. На рис. 3.9. показан характер распределениятемператур по толщине межклапанных перемычек крышки цилиндра. На рис.3.10. представлены тепловые потоки в элементах огневого днища крышки цилиндра.Следует отметить достаточно высокий уровень температуры ~ 380°С врайоне выхода форсуночного отверстия, обусловленный несимметричным расположением форсунки.Уровень температурных напряжений в значительной мере зависит от схемы закрепления (задания кинематических граничных условий) конструкции.Однозначно учесть влияние на напряженное состояние крышки присоединенных деталей можно совместным трехмерным моделированием.1031 72+0021 56+0021.37+0021.20+002LWРис.
3.7. Температурное поле [rO/C] огневого днища крышки цилиндрапри полной мощности дизеля со стороны газовРешение этой задачи ограничивают как возможности ЭВМ, так и трудоемкостьнепосредственно расчёта, поскольку в этом случае необходима подготовкабольшого количества исходных данных (например, связанных тепловых граничных условий). Более эффективным можно признать применение коэффициентов жесткости (стеснения тепловых деформаций) со стороны присоединенного элемента. В частности, для крышки цилиндра дизеля ЧН26/26 экспериментально было установлено, что присоединение к блоку цилиндров снижает перемещения, вызванные тепловым расширением, в радиальном направлениипримерно на 30%.104Рис.
3.8. Распределение температуры Т [°С] со стороны полости охлажденияТаким образом, совместные перемещения крышки и блока цилиндров, вызванные тепловым расширением, определяются как произведение свободныхтепловых перемещений на коэффициент жесткости. Указанные величины задаются как кинематические граничные условия в виде заданных перемещений поповерхности контакта крышки с блоком цилиндров. Влияние остальных деталей (втулки цилиндра, клапанов, седел клапанов) на напряженное состояниекрышки цилиндра на данном этапе не рассматривалось.105(a)Следующим этапом является расчет перемещений, деформаций и напряжений в «упругой» постановке.
В качестве нагрузочного фактора выступаеттемпература в узлах, полученная в ходе решения тепловой задачи. Расчет напряжений в линейной постановке имеет предварительный характер и необходим для уточнения кинематических граничных условий, которые впоследствиибудут заданы при решении нелинейной задачи. Схема закрепления крышки цилиндра при решении линейной задачи теории упругости приведена на рис. 3.11.Далее, используя ту же схему закрепления, производится расчет в нелинейной постановке.
Расчет производится от циклического действия температуры в условиях релаксации напряжений при максимальной температуре цикла.Как отмечено ранее, расчет в нелинейной постановке основан на данных по поведению материала, полученных на образцах в условиях одноосных испытаний.106(б)Рис. 3.9. Распределение температуры по толщине огневого днища врайоне перемычки между впускными (а) и выпускными клапанами (б)Данные по нелинейному поведению ВПЧ при нормальной температуре(20°С) получены на универсальной испытательной машине INSTRON 3369(рис. 3.12.).
При испытании партии из шести цилиндрических образцов (рис.3.13.) были получены кривые нелинейного поведения материала. Осредненныеданные показаны на рис. 3.14. По оси абсцисс откладывается осевая деформация, по оси ординат напряжение. Деформации замеряются бесконтактным способом с помощью видеоэкстензометра.107Рис. 3.10. Тепловой поток Q [Вт/м ] в огневое днищеш=0Рис. 3.11.
Схема закрепления крышки цилиндра при решении задачпластичности и ползучести (UX и UY заданные перемещения в направлении координатных осей)108Используя гипотезу о пропорциональности кривых деформирования приумеренных температурах (до 0,ЗТпл), в соответствии с данными [4] была построена кривая деформирования при 400°С. Учитывая также небольшую разницу в пределах текучести при растяжении и сжатии (по данным [4,31] не более10%), кривые деформирования предполагались одинаковыми при растяжении исжатии.Экспериментальные данные по релаксации напряжений ВПЧ (необходимые для формирования модели ползучести материала) в условиях сжатия такжеполучены в работе [4].Расчет состоит из трех нагрузочных случаев: 1 — температурное нагружение (нагрев); 2 - релаксация напряжений при конечной температуре и напряжении 1-ого шага (Т т а х ); 3 - температурная разгрузка (охлаждение) до комнатнойтемпературы (20°С).
Расчет первого нагрузочного случая осуществляется методом пошагового нагружения, начиная с равномерной температуры (20°С) вовсех узлах до достижения температурного поля на режиме полной мощностидвигателя. Третий нагрузочный шаг осуществляется аналогично первому, начиная с температуры, соответствующей полной мощности двигателя до равномерной температуры (20 С) во всех узлах, то есть до полного остывания. Поскольку контроль остаточных напряжений производится при нормальной температуре (18..22°С) в расчете разгрузка производилась до 20°С до полного равномерного остывании конструкции, с целью последующего сопоставления расчетных и экспериментальных данных.Входными данными помимо свойств материала также являются данные поколичеству циклов и времени пребывания конструкции при Т т а х . В частности,расчет производился в соответствии с режимами испытания дизеля3.).(таблица109Рис.
3.12. Общий вид универсальной испытательной машиныINSTRON 3369 и её основные элементы:1 - бесконтактный видеоэкстензометр2 - силоизмеритель3 - захваты4 — силовая рамапо30&^>^^120Рис. 3.13. Цилиндрический образец, изготовленный в соответствии сГОСТ 1497-84 для испытания на растяжение<Т|,Па5,50Е+085,00Е+083,00Е+082,50Е+08О0,0010,0020,0030,004Рис. 3.14. Кривые деформирования ВПЧ-НМ при различных температурахиспытания (20°С и 400°С)Важным вопросом при расчете остаточных напряжений является моделирование цикличности приложения температурной нагрузки.
Для получения остаточных напряжений в межклапанных перемычках крышки цилиндра послеIllпродолжительной работы дизеля необходимо моделировать достаточно большое количество циклов температурного нагружения. Расчеты за пределами упругости в циклической постановке выполняют чаще всего для первых 10 циклов [60,65] с целью исследования кинетики циклического неупругого деформирования материала. Однако для получения остаточных напряжений в конструкции такого количества циклов может быть недостаточно.
С другой стороны моделировать даже относительно небольшое количество циклов (1100), реализованных при стендовых испытаниях дизеля, не представляется возможным, ввиду трудоемкости расчета.Поскольку высокопрочный чугун относится к классу циклически стабильных материалов [60,75] приспособляемость к действию термического циклирования происходит достаточно быстро, при этом около 90% времени материалработает в области стабильных параметров цикла [3].
Незначительное изменение параметров цикла и накопление остаточных напряжений в каждом циклеможет происходить лишь за счет явления релаксации напряжений при повышенных температурах цикла. В действительном цикле нагружения имеет местоциклическая релаксация, как стационарная при постоянной во времени температуре цикла, так и нестационарная (при медленном нагреве и охлаждении).Учесть влияние цикличности и не стационарности релаксации напряжений наданном этапе не представляется возможным, ввиду отсутствия соответствующих экспериментальных данных по высокопрочному чугуну.
Следует отметить,что в литературе данные по циклической и нестационарной релаксации напряжений в металлах и сплавах приводятся крайне редко, что связано с большойсложностью проведения соответствующих испытаний.На практике в большинстве случаев имеет место все-таки циклическая релаксация напряжений, связанная с циклическим характером режимов работыконструкций. Для оценки напряженного состояния детали в этих условияхстремятся применить данные по стационарной релаксации напряжений. В первой главе работы [64] а также в [93] показано, что при умеренных гомологиче-112ских температурах (до 0,5) для широкой группы конструкционных материаловизменения деформаций ползучести в течение большей части времени работы(-80%) носят стабильный характер. При этом огибающая, построенная к линиям циклической релаксации практически совпадает с линией статической релаксации. То есть, процесс циклической релаксации в данном случае с приемлемой погрешностью расчета можно заменить статическим процессом.Это положение было использовано при расчете остаточных напряжений вкрышке цилиндра после стендовых испытаний дизеля.
В условиях относительно малых размахов неупругих деформаций в каждом отдельно рассмотренном(стабилизированном) цикле нагружения крышки цилиндра, а также при умеренной рабочей температуре (не выше 400°С) для описания процессов релаксации в действительных циклах были применены данные [4] по стационарной релаксации чугунов (в условиях сжатия). Детальное рассмотрение каждого отдельно взятого стабилизированного цикла при этом не требуется, что существенно упрощает расчет и позволяет определять остаточные напряжения практически на любом этапе эксплуатации конструкции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
