Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Во втором методе применяются электрические цепи ссосредоточенными параметрами; моделью является электрическая сетка, осно­ванная на дискретном представлении связанных элементарных объемов моде­лируемой области некоторой схемой замещения.Главным недостатком метода ЭТА является трудность совместного реше­ния задач теплопроводности и термоупругости, а также сложность созданияэлектрической модели. Кроме того, основой для получения реальных темпера­турных полей методом ЭТА, в конечном счете, все-таки является эксперимент.В этой связи ЭТА в настоящее время не используется.Кроме натурных экспериментов на работающем двигателе и физическихмоделях, для получения сведений о тепловом и напряженном состоянии кры­шек цилиндров широко применяются методы математического моделирования.Расчет деталей типа крышки цилиндра, имеющих сложную геометриче­скую форму, практически неосуществим без существенного упрощения геомет­рических форм, схематизации силового воздействия и упрощения условий теп­лообмена и деформирования материала.

В конечном итоге все это приводит кусловности результатов расчета аналитическими методами.Наиболее простые схемы расчета напряженного состояния крышек цилин­дра базируются на представлении их в виде пластин свободно опертых или за­щемленных по контуру в условиях плоского напряженного состояния и изгиба,без учета влияния присоединенных элементов: стенок газовых каналов, форсу­ночного стакана, периферийного контура и промежуточной плиты [6]. Расчет­ная схема представлена на рис. 1.8. Крышка рассматривается как свободноопертый по уплотнительному бурту диск, нагруженный симметрично распре­деленными силами.

Задача сводится к определению изгибающего момента вопасном сечении и момента сопротивления этого сечения относительно ней­тральной оси. Температурные напряжения рассчитают, представляя огневое30днище крышки пластиной, жестко заделанной по контуру. Подобные расчетыприведены в [2,6,56].оОд.Pd1ffi11 Pd-PzруPcL-PBr•*» -Рис. 1.8. Схема расчета напряжений в крышке цилиндраРасчет по этому методу весьма условен, поскольку не дает соответствиярасчетной схемы и реальной конструкции, поэтому в настоящее время подоб­ные схемы не используются в инженерных расчетах.Простым и более приемлемым с точки зрения инженерной практики явля­ется расчетный метод, основанный на представлении крышки участками с об­щими геометрическими формами и сходными условиями работы [17]. В каче­стве таких участков выбираются оболочки и пластины постоянного сечения,соединенные на концевых участках.

Расчетная схема для крышки малооборот­ного судового дизеля приведена на рис. 1.9.Многочисленные опытные данные дают основание утверждать, что прирасчетах температурных напряжений, вызванных неравномерностью распреде­ления температуры в плоскости днища, последнее допустимо рассматриватьотделенным от остальной конструкции головки. Влияние присоединенных кднищу элементов головки на уровень напряжений изгиба от температурногоперепада и сил давления в цилиндре значительно, и его необходимо учитыватьпри расчете днища на изгиб [3].Решение задачи для всей области днища аналитическим путем не пред­ставляется возможным.

В то же время можно получить решения для более про­стой по форме центральной зоны днища крышки, образованной контурами от-31верстий под клапаны, межклапанными перемычками и отверстиями под фор­сунку или дополнительную (например, вихревую) камеру.Решение задачи для этой (представляющей наибольший интерес) областиднища сводится, во-первых, к определению краевых условий на границах об­ласти (например, усилий в перемычках в случае плоской задачи) и, во-вторых, крешению задачи о распределении напряжений внутри области или в какомлибо сечении, например в перемычке, при заданных напряжениях на границе[15].tmirtl"metItlJs_фtSu,;ляtpSPжРгg*m.n'mmРис. 1.9.

Расчетная схема крышки цилиндраПри определении в перемычках температурных напряжений at, которыевызваны неравномерным распределением температуры в плоскости днища, этиперемычки представляют в виде системы элементов стержневого типа (рис.1.10) переменного поперечного сечения, нагретых до более высокой температу­ры по сравнению с окружающей их периферийной зоной днища.Таким образом, для расчета напряженного состояния района перемычекиспользуется стержневая система с переменной по длине жесткостью стержней,образующих центральный узел и сопрягающихся с периферийной зоной днища[10,15].Вследствие ряда допущений в расчетной схеме (периферийная зона кольцо с одинаковой податливостью, условность места сопряжения перемычек32с кольцом, сведение центральной зоны с форсуночным отверстием в условныйузел) расчет позволяет определить лишь усредненные значения напряжений вэлементах крышки.

Следующим этапом развития данной схемы явилось уточ­нение податливости периферийной зоны крышки в виде представления еестержневой замкнутой системой различной жесткости [15].Рис. 1.10. Стержневая схема для расчета температурных напряжений вперемычках днища крышки цилиндров: 1,2,3,.. .п - номера перемычекНапряжения в перемычках определяются как в пластине, ослабленной кру­говыми вырезами, а в центральной области - с использованием метода непло­ских сечений.Данный метод позволяет выполнить приближенный расчет температурныхнапряжений в огневой плите с учетом концентрации напряжений вблизи отвер­стий под клапаны и форсунку, что повышает достоверность получаемых ре­зультатов.

К недостаткам приведенных выше расчетных схем можно отнестито, что для выполнения расчетов необходимым условием является наличиетемпературного поля, получаемого чаще всего экспериментально. Кроме того,рассмотренные схемы не учитывают влияние присоединенных к плите элемен­тов: стенок газовых каналов, форсуночного стакана и периферийного контура,что, как уже было отмечено выше, снижает точность расчета изгибной состав­ляющей напряжений.33Рациональные расчетные схемы, могут быть получены в результате услов­ного расчленения детали на элементы простой геометрической формы (рис.1.9), находящиеся под воздействием температурного поля и системы нагрузок.Температурное поле и механические нагрузки, действующие на каждый эле­мент должны выражаться некоторой аналитической функцией.

Расчет элемен­тов системы сводится к решению статически неопределимой задачи, в которойвместе с уравнениями статики рассматриваются дополнительные уравнения со­вместности деформаций [5,15]. Статическая неопределенность системы рас­крывается решением канонических уравнений, определяющих равенство пере­мещений и углов поворота элементов в местах их сопряжений:XjSn+X2S12+...+ XnSln+Aj=0XjS2J+ Х2д22+... + XnS2n+A2=0Xidni-^rx2sn2+...+xnsm+A=oГде Xi - подлежащие определению силы и моменты, обеспечивающие ра­венство перемещений и углов поворота элементов в точках их сопряженияSy - перемещения и углы поворота сечений элементов от действия еди­ничных краевых нагрузокД - перемещения и углы поворота сечений элементов от действия тем­пературного поля или сил давления газов.В последнее время для определения теплового и напряженного состоянияболее широкое применение нашли численные методы.

При существующемуровне развития вычислительной техники математическое моделирование ста­новится важнейшим инструментом при исследовании и создании теплонапря­женных деталей.Математические модели, применяемые при проектировании и оптимиза­ции теплонапряженных деталей, являются составной частью системы моделейЦПГ, в которую входят модели рабочего процесса (сгорания и газообмена), топливоподачи и наддува [31] и т.д. Современные требования, предъявляемые к34моделям, связаны, прежде всего, с необходимостью автоматизации проектиро­вания; в этом плане применение математических моделей оказывается наиболееэффективным. При проектировании используются математические модели раз­личных уровней [7,8].Основными расчетными методами при анализе стали численные методы. Вотличие от аналитических они позволяют получить решение задачи не в видеокончательных расчетных зависимостей, а в виде массивов чисел, характери­зующих, например, поля температур или напряжений.

Дальнейшая оценка ра­ботоспособности конструкции производится при помощи моделей второго итретьего уровней.Метод конечных разностей (МКР), метод конечных элементов (МКЭ) и ме­тод граничных элементов (МГЭ) относятся к классу численных методов. На на­чальной стадии применения данных методов для расчета температурных полейнаибольшее распространение имел метод конечных разностей (МКР). Этот ме­тод относится к разряду сеточных. В его основе лежит замена дифференциаль­ного уравнения теплопроводности и граничных условий конечно-разностнымиуравнениями, приводящими к системе линейных алгебраических уравнений от­носительно неизвестных дискретных значений искомых функций в узлах сетки,построенной для заданной области. Более ограниченное применение МКР на­шел при определении НДС деталей ЦПГ, где область его применения ограни­чивалась решением задачи плоского напряженного состояния.

МКР обладаетсравнительно невысокой трудоемкостью и эффективен при выполнении расче­тов температурных полей, однако последующий расчет полей напряжений вдеталях сложной конструкции осуществить значительно сложнее.Наибольшей универсальностью обладает метод конечных элементов. Сущ­ность метода заключается в аппроксимации непрерывно меняющейся по объе­му тела величины (температуры, перемещения) ее дискретной моделью [68].Деталь мысленно разбивают на большое число достаточно малых по размерамчастей (элементов). МКЭ обладает более широкими возможностями с точки35зрения создания расчетной модели, достаточно точно отражает геометрию кон­струкции и действующие нагрузки, не имеет принципиальных трудностей прирасчете конструкции в упругой и упруго-пластической постановке, имеетсявозможность оценки эффектов ползучести и релаксации напряжений.

Характеристики

Список файлов диссертации