Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При абсолютно жестком защемлении sx = 0, то есть температурная деформация полностью переходит в механическую деформацию. Втом случае, когда защемление не абсолютно жесткое, силовая деформация определяется умножением компонент деформаций на соответствующие коэффициенты жесткости защемления (стеснения деформаций) при равномерном нагреве и температурном изгибе:ет=S~К\ ' T ~ ^2 ' SAT •(4-4)130Коэффициенты стеснения деформаций по результатам ранее выполненного конечно-элементного расчета крышки цилиндра в трехмерной, линейной постановке равны: &, = 0,72, к2 « 1 .Для определения конкретных значений деформаций по формулам 4.1-4.2было осуществлено численное интегрирование функции а(т), представленнойна рис.
4.1. Интегрирование осуществлялось методом трапеций.о,1/°С1,30Е-05—=><'1,25Е-051,20Е-05U5E-051,ЮЕ-051,05Е-05 •1,00Е-059,50Е-069,00Е-06т,°с50100150200250300350400450500Рис. 4.1. Зависимость коэффициента линейного расширения высокопрочного чугуна ВПЧ-НМ от температурыОкончательно получено, что механическая деформация в перемычке приполной мощности дизеля равна:sm = -0,72 • 0,00273 -1 • 0,0009 = -0,00287 = -0,287%.Для определения напряжений в перемычке, соответствующих полученнойвеличине механической деформации, воспользуемся приведенной на рис. 3.14(глава III) кривой неупругого поведения чугуна ВПЧ-НМ.
При этом будем считать материал циклически изотропным, что означает подобие кривых а - е в131области растяжения и сжатия. Результаты расчета остаточных напряжений вперемычке приведены на рис. 4.2.о , МПа3002004з15N\—Ч: Х ^100\^^г~о^^г\^^*'х^^^^^^^^^-100-200^—-3001ет,%-400-0,3-0,25-0,2-0,15-0,1-0,05Рис. 4.2.
Процесс накопления остаточных напряжений в выпускной перемычке крышки цилиндра двигателя 16ЧН26/26 при Ne = 3680 кВт:1-первый цикл с выдержкой t=0,5 часа2-10-й цикл, суммарное время выдержки t=5 часов3-100-й цикл; t=50 часов4—1100-й цикл; t=580 часов5—«предельный» циклИз приведенных данных видно, что первый цикл нагружения осуществляетсяпоначальнойкривойдеформированияа-е.Напряжение<х002 =-316 МПа (£"е=-0,184%; БР =-0,02%) соответствует условному пределуупругости материала при сжатии. Далее материал работает в области неупругого деформирования и при ет =-0,287% сгтах=-373МПа. После достижения максимальной температуры цикла, происходит вьщержка в течение получаса припостоянной деформации, то есть релаксация напряжений.
При этом максималь-132релаксации напряжений производится по формуле (2.26), полученной в главеII. Время выдержки на режиме полной мощности дизеля в течение первогоцикла соответствует времени работы на указанном режиме при стандартныхприемо-сдаточных испытаниях, которым подвергаются все дизели, выпускаемые ОАО «Коломенский завод».Разгрузка происходит по линии, параллельной начальному участку упругого деформирования материала. После полной разгрузки до нулевого значениядеформаций, в перемычке возникают растягивающие остаточные напряжения<тост=96МПа.Во втором цикленагружение перемычки происходит по линии, совпадающей с линией разгрузки предшествующего цикла.
Таким образом, уже после первого цикла, материал начинает работать в квазиупругой области, когдалинии нагружения совпадают с линиями разгрузки и параллельны начальномуучастку линейного деформирования, а петля гистерезиса отсутствует. Термические циклы осуществляются с постоянной амплитудой цикла:<тв = 1/2|* тах £|При этом происходит(4.5)постоянное смещение средней составляющейатцикла в сторону положительных значений за счет релаксации напряжений вовремя выдержки при максимальной температуре цикла.После 1100 циклов нагружений при суммарном времени выдержки на режиме полной мощности 580 часов (линия 4), расчетная величина остаточныхнапряжений в перемычке составила <У0Ст=164МПа. Полученные результаты хорошо согласуются с даннымиэкспериментального определения остаточныхнапряжений в 7 крышках цилиндра, снятых с одного и того же дизеля16ЧН26/26 после проведения ресурсных ускоренных испытаний при указанномколичестве циклов теплосмен и суммарном времени выдержки.
Среднее значение остаточных напряжений в перемычках между выпускными клапанами составило <т „, = 143МПа.133Таким образом, разработанная математическая модель обладает достаточно высокой степенью адекватности и может быть применена на практике длярасчета остаточных напряжений. Более того, хорошее соответствие экспериментальным данным позволяет использовать эту модель для предварительнойоценки долговечности конструкции. Последующая, более точная оценка должна осуществляться на основе трехмерного конечно-элементного анализа.Поставим задачу приближенной оценки максимального (предельного) времени релаксации, в течение которого конструкция может работать в квазиупругой области в условиях теплосмен на двигателе.
Предельное время соответствует суммарному времени выдержки на режиме полной мощности (Ne =3680кВт), при котором в процессе разгрузки растягивающие напряжения в конструкции достигают предела упругости материала. В этом случае в конструкциибудет иметь место знакопеременное неупругое деформирование материала.
Последнее означает, что конструкция теряет свою несущую способность.С учетом принятого правила кинематического упрочнения при циклическом деформировании, предел текучести в области растяжения снижается пропорционально достигнутому упрочнению в области сжатия. Расчетное значениемаксимального сжимающего напряжения в перемычке между выпускными клапанами составило <т тах =-373МПа, то есть превысило (по модулю) предел упругости материала при сжатии сг^02 =-316МПа (Т = 350°С) на 57МПа.
В результате, новый предел упругостипри растяжении составитC7Q02=360-57=303МПа ( при Т = 20°С).Таким образом, первоначально циклический предел текучести материаласоставляет S(0)= о~002 +(T„ft2 = 316+3 60=3 73+3 03=676МПа. В дальнейшем, вследствие релаксации напряжений, предел упругости материала при сжатии будетпостоянно уменьшаться. Термические циклы будут осуществляться с постоянной амплитудой цикла, которая согласно формуле (4.5) равна ста =222 МПа.134При вычислении амплитуды учитывалась зависимость модуля упругости высокопрочного чугуна от температуры.
График зависимости приведен на рис. 4.3.Е, ЫПа1/70Е+051.65Е+051,б0Е+05N•\1.55Е+05\1.50Е+05\\1.45Е+05\1.40Е+05О1:50100т,°с1150200250300350400450500550Рис. 4.3. Зависимость модуля упругости чугуна ВПЧ от температурыОчевидно, предельно допустимое время релаксации соответствует моменту, когда размах циклических температурных напряжений равен циклическомупределу упругости, то есть S(t) = 2сгя.
Альтернативной формулировкой предельного состояния является достижение момента времени, когда остаточныенапряжения в конструкции становятся равными пределу упругости материалапри растяжении: сгост = crj 0 2 .Обе формулировки соответствуют величине предельного «релаксированного» напряжения: AaR = S ~2аа =676-444=232 МПа и предельной величине остаточного напряжения: [a-ocm]=303 МПа. В соответствии с формулой (2.26) главы II, определяем время, необходимое для релаксации напряжений с 373 МПадо 373-232=141 МПа. Полученная величина (т>2000000 часов) существенно135превышает ресурс дизелей размерности ЧН26/26, равный 60000 часов. На рис.4.2. линия 5 соответствует циклу, в котором достигается предельное состояниеконструкции.Рассмотрим задачу оценки предельного состояния конструкции, при болеевысоком уровне температур в огневом днище крышки цилиндра, что соответствует некоторому повышению уровня форсирования.
Под предельным состоянием, как и ранее, будем понимать исчерпание возможности квазиупругого деформирования материала конструкции. В первом приближении примем:Ггаах = 400°С, Tmin =200°С. Коэффициенты стеснения деформаций примем такими же, как и в предыдущем случае. В результате, после численного интегрирования функции а(т), представленной на рис. 4.1., получим:sm = -0,72 • 0,0033 - 1 • 0,00127 = -0,00365 = -0,365%.Первый цикл нагружения осуществляется по начальной кривой деформирования о-е.Напряжение <т 002 =-277МПа (ее =-0,183%; sp=-0,02%)соответствует условному пределу упругости материала при сжатии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
