Повышение прочностной надежности транспортных дизелей (1025560), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Расчетытеплового и напряженно-деформированного состояния являются естественными последовательными этапами общей задачи. Виды конечных элементов представлены на рис. 1.11 и 1.12.А!аZЛА>i—6)Iwа)vAк>/Пв)б)в)Рис. 1.11. Типы конечных элементов:а - одномерные, б - двухмерные, в - осесимметричныеДля таких деталей как крышка цилиндра задача определения ТНДС в общем случае должна решаться в трехмерной постановке. На начальном этапе,учитывая сложность трехмерного конечно-элементного представленияб>Рис. 1.12.
Вид трехмерных конечных элементов: а - тетраэдальные,б - гексаэдральные36крышки цилиндров и последующего решения задачи, старались, использовать двухмерную модель или комбинировали стержневые модели и конечноэлементные. Двухмерная конечно-элементная модель крышки цилиндра представлена на рис. 1.13.Рис. 1.13. Двухмерная конечно-элементная модель 4-х клапанной крышки дизеля типа ЧН26/26Наиболее полное решение задачи расчета теплового и напряженнодеформированного состояния в двумерной постановке описывается [3,15,28].Расчет выполнен в три этапа.
На первой стадии расчета осуществляется определение теплового состояния трехмерного температурного поля днища в рамках решения двухмерной задачи, с помощью аппроксимации распределениятемпературы по толщине днища квадратичным полиномом и последующимсведением системы трех дифференциальных уравнений к основному уравнению второго порядка в частных производных относительно срединной поверхности. Решение этого уравнения для стационарной задачи эквивалентно минимизации функционала вида [5]:W -flf(дТ\дх(dT\+ ду-QT\dV+\t~(T-Tcp)2dS\tq0TdS+S2S3^37В конечно-элементной модели части днища, базовым является элементтреугольного типа с линейным законом изменения температуры в его пределах.Минимизация функционала приводит к системе алгебраических уравнений ппорядка относительно температур узловых точек базовой плоскости днища.Предложенный метод позволяет оценить влияние отдельных геометрическихпараметров, теплофизических свойств материала, а также параметров теплообмена на тепловое состояние днища.
Кроме того, имеется возможность рассмотрения обратных задач теплопроводности и решения задач в условиях нестационарного теплообмена.На второй стадии расчета, на основе выполненной ранее разбивки областиднища на элементы и подготовленных исходных данных решается задача определения напряженно-деформированного состояния днища в упругой области отнеравномерного распределения температуры в плоскости днища. За системунеизвестных принимаются перемещения узловых точек элементов {se}.
Используя линейную аппроксимацию перемещений внутри элементов, решение задачиосуществляется минимизацией функционала следующего вида:П = t{\\{s'}T \Bj \D\[B\{s-}dr - \{3-}-{BjF'[D]M}-MM-{PhJгде: [В] - матрица деформации,[D] - матрица упругости,е0 - начальная (температурная) деформация,{P},{pu},{R} - вектор объемных сил, вектор поверхностных сил и вектор сосредоточенной нагрузки соответственно,[N] — матрица функций формы.Минимизация функционала приводит к системе алгебраических уравненийотносительно узловых перемещений:38где [К] — матрица жесткости системы,{ G } - глобальный вектор нагрузки.Расчет деформаций и напряжений производится по следующим формулам:{8}=[В]{8}; { C J } = [ D ] ( { 8 } - { 8 0 } ) + { G 0 }где: {о~0} - вектор начальных напряжений.Третий этап рассматривает оценку напряженного состояния центральнойчасти днища крышки от перепадов температур в плоскости и от переменногодавления в цилиндре.
Расчет выполняется одним из аналитических методов,рассмотренных выше. Для более полного учета конструкторских особенностей,характера температурного поля и закономерности характера термоупругих напряжений центральная зона представляется в виде области двухсторонними параболическими вырезами и центральным отверстием (для четырехклапаннойкрышки) см.
рис. 1.14. Расчет выполнен с применением теории функций комплексного переменного и конформных отображений [5,15,28,45], для различных уровней нагружения и закрепления области. Граничные условия задаютсяиз расчета температурных усилий в перемычках.При расчете на изгиб от сил давления газов граничные условия в перемычках задаются в виде момента, величина которого оценивается экспериментально.
Данная методика позволяет решить задачу определения теплового и напряженно-деформированного состояния конструкции крышки цилиндра. Однакорасчет изгибной составляющей температурных напряжений выполнен приближенно по упрощенным зависимостям, без учета влияния присоединенных элементов.Для уточненного расчета напряжений в крышках цилиндров от действияизгибной группы усилий в работе [3] предлагается использовать метод макроэлементов (ММЭ), разработанный М.А. Салтыковым на АО «Коломенский завод» применительно к деталям, представляющим в конструктивном исполнениисовокупность[9,12,16,30].сопряженныхзамкнутыхконтуровтипапроушин39Рис.
1.14. Схема расчета температурных напряжений в четырехклапанной крышке цилиндраСтержневое представление макроэлементов дает возможность определятьнапряжения и деформации из плоскости, т. е. решить задачу в трехмерной постановке при умеренной сложности в реализации и достаточной точности получаемых результатов. Этот метод встраивается в систему иерархических расчетных моделей различных уровней адекватности и занимает в ней промежуточное положение по отношению к упрощенным зависимостям и МКЭ.
На рис.1.15. приведена макроэлементная модель крышки дизеля ЧН26/26.Посчитанный методом макроэлементов уровень изгибных напряжений отперепада температуры по толщине огневого днища для крышки цилиндра дизеля 16ЧН26/26 составляет 25..45% от величины суммарных температурных напряжений.Широкое использование трехмерных конечно-элементных моделей сталовозможным в последнее время благодаря быстрому росту возможностей вычислительной техники.На современном уровне применяется комплексная методика расчетного исследования ТНДС крышки цилиндра, разработанная на кафедре поршневыхдвигателей МГТУ им.
Н.Э. Баумана совместно с ОАО «Коломенский завод».40Методика используется на «Коломенском заводе» для оценки работоспособности крышек цилиндров.12Рис. 1.15. Макроэлементная модель крышки цилиндра:1..5 - номера сеченийМетодику можно условно разделить на три этапа:- На первом этапе создается объемная конечно-элементная модель полноразмерной крышки программными средствами SolidWorks.
Далее модель переносится в комплексы, основанные на применении метода конечных элементов ANSYS, NASTRAN, MARC и другие.- На втором этапе производится обоснование, расчет и приложение тепловых или кинематических граничных условий.- На третьем этапе производится непосредственно расчет полей температур, деформаций и напряжений (в упругой постановке).41От правильности задания граничных условий по теплообмену во многомзависит адекватность получаемых результатов, поэтому второй этап являетсянаиболее ответственным. В качестве граничных условий (ГУ) со стороны газаиспользуются стационарные ГУ III рода - осредненный за цикл коэффициенттеплоотдачи аср и средняя результирующая температура газа Трез, которые определяются по формуле Вошни, как наиболее универсальной [73]."l0,82a 53o>acp=U0D-°' T; - PС,С т +С 2 ^р-(Р-Р 0 )а агде: D - диаметр цилиндра,Vh - рабочий объем,Ра, Та uVa- давление, объем и температура начала сжатия,Ст — средняя скорость поршняСi=6,18+0,417 CJCm - для процессов газообмена,С1=2,28+0,308 Си/Ст - для процессов сжатия — сгорания - расширения,С2=0,00324 - для дизелей с непосредственным впрыском топливаСи - окружная скорость газа;Сз=1-1,2е°'б5а — в случае использования дизельного топлива;а— коэффициент избытка воздуха.Т- температура газа в КС;Р — давление в КС;Ро - давление при вращении коленчатого вала двигателя без подачи топлива.Трез определяется по индикаторной диаграмме, путем осреднения среднейтемпературы за цикл:J « Tcped.d<P1J_ _0Ana.срСредний коэффициент теплоотдачи за рабочий цикл:42Далее назначают ГУ со стороны охлаждающей жидкости в зависимости оттемпературы охлаждаемой поверхности, температуры, скорости и давленияжидкости в системе охлаждения.
Со стороны полостей охлаждения могут иметьместо режим вынужденной конвекции; режим поверхностного кипения; режимразвитого кипения, характерный для наиболее нагретых зон крышки.Для режима вынужденной конвекции применяется зависимость:aw = А + Вео°/где А и В коэффициенты определяющиеся теплофизическими свойствамиохлаждающей жидкости и конструкцией проточных частей. Для определениякоэффициента теплоотдачи при кипении использованы полуэмпирические зависимости.При определении коэффициентов теплоотдачи в газовоздушных каналахввиду сложного характера течения газа (с зонами турбулентности) также использованы полуэмпирические зависимости.Расчетное температурное поле крышки цилиндра дизеля ЧН26/26 приведено на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
