Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В общем случае,если позволяют время и средства,проводят серию расчетов на сгущаемых сетках.Косвенным критерием оценкисходимости вычислительной процедуры является уменьшение разницыпоследующих решений при сгущении сетки меньше установленнойвеличины. Последняя может рассматриваться как косвенная оценкаточности численного решения.В случае неудобства проведениярасчетов на сгущающихся сеткахоценка о качестве конечноэлементной модели делается на основеединичного решения с использованием анализа полей производных64которых затем будут проводитьсярасчеты.
При этом расчетный режим характеризуется наиболее высоким уровнем нагружения детали.В настоящее время расчеты напрочность, как правило, проводятдля установившегося режима. Однако в отдельных случаях влияниенеустановившихся режимов на тепловое и напряженнодеформированное состояние деталей можетбыть учтено при выборе расчетныхзначений тепловых и механическихнагрузок, соответствующих реальным условиям работы с учетом неустановившихся режимов. Следуетзаметить, что прочность в первуюочередь теплонапряженных деталей может быть достаточно точнооценена лишь при учете всей совокупности режимов работы двигателя в эксплуатации, принимая вовнимание их продолжительность ичередование, которые существенноразличны для отдельных типовдвигателей в зависимости от назначения последних.Для всех типов двигателей расчеты теплового и напряженнодеформированного состояния деталей начинают с режима номинальной мощности при частоте вращения nном.
Как правило, на этом режиме работы достигают максимальных значений температурынаиболее нагруженных в тепловомотношении деталей, а также, особенно в случае двигателей с наддувом, действующие на них силы давления газов. Наряду с этим, в первую очередь, для двигателей наземного транспорта по условиям прочности опасным может оказаться ирежим максимального крутящегомомента, когда при частоте вращения n = (0,5 - 0,7)nном силы давления газа являются максимальными.При этом силы инерции здесь существенно ниже, чем на номинальприводит к б\льшим затратам машинного времени.
Для плохо обусловленных задач отмечается медленная сходимость. Плохая обусловленность матрицы СЛАУ можетбыть вызвана большими различиямив жесткостях компонентов неоднородной конструкции.Среди прямых методов решенияСЛАУ следует прежде всего назватьметод Гаусса, предусматривающийпреобразование исходной системыуравнений к эквивалентной системес верхней треугольной матрицей.Существует несколько вычислительных схем, реализующих этот метод.Среди них часто применяемый приконечноэлементных расчетах методХолецкого, один из вариантов которого называют методом квадратногокорня. При симметричной и положительно определенной матрице метод Холецкого требует вдвое меньшевычислительных затрат по сравнению с методом Гаусса. Из итерационных методов следует указать наметод релаксации, а также метод сопряженных градиентов.2.5.
Выбор расчетных режимовПоршневые двигатели, как правило, работают в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов при переменных механическихи тепловых нагрузках. При этом тепловое состояние деталей, возникающие в них напряжения и деформации существенно изменяются в зависимости от режимов работы двигателя. Нагрузки на детали двигателяобусловлены действием сил давления газов, сил инерции, тепловымвоздействием, а также связаны с различными видами колебаний.При определении теплового инапряженнодеформированного состояния следует выбрать один илинесколько расчетных режимов, на65минальное значение w, что можетиметь место при резком уменьшении нагрузки, то это следует учитывать при оценке сил инерциипоступательно движущихся массдля проведения расчетов на прочность.В частности, предлагают использовать коэффициент перегрузкином режиме, что дополнительноповышает нагрузки от газовых сил.Для двигателей с принудительным воспламенением, а иногда идля высокооборотных дизелей целесообразно проводить проверочныйрасчет и для режима холостого хода,соответствующегомаксимальнойчастоте вращения, допускаемой регулятором.
При наличии последнего максимальная частота вращенияхолостого хода для двигателей спринудительным воспламенениемсоставляет n = (1,05 - 1,10)nном, длядизелей – n = (1,05 - 1,07)nном.В течение срока службы каждыйдвигатель работает на неустановившихся режимах. Доля их в общейпродолжительности эксплуатациив отдельных случаях может существенно различаться. Во всех случаяхк таким режимам относятся: пуск,остановка двигателя, а также сменапри работе двигателя скоростногои нагрузочного режимов. От скорости и степени этих изменений зависят величины тепловых и механических нагрузок на узлы и деталидвигателя при его работе на неустановившихся режимах. Иногда величины этих нагрузок оказываютсяболее высокими, чем даже на установившемся режиме полной мощности или максимального крутящего момента. Экспериментальноустановлено, что в отдельных рабочих циклах неустановившегося режима максимальное давление рzнможет до 1,5 раз превышать своерасчетное значение на установившемся режиме.Силы инерции вращающихся иособенно поступательно движущихся масс могут также существенно изменяться при работе нанеустановившихся режимах.
Еслина неустановившемся режиме угловая скорость коленчатого валаwн значительно превосходит ноP = (Pzн - P jzн ) (Pz - P jz ),где Рjz и Pjzн – силы инерции поступательно движущихся масс, соответствующих углу поворота коленчатого вала при максимальном давлении сгорания.На отдельных неустановившихся режимах величины коэффициента перегрузки при резких изменениях нагрузки могут достигатьзначений 1,3–1,5.В связи с широким проникновением электроники в системы управления современных двигателей перегрузки на неустановившихся режимах можно существенно ограничить.
Коэффициент перегрузки следует назначать индивидуально длярассчитываемого на прочность двигателя и особенностей возможныхрежимов его работы.2.6. Прочностная надежностьи оценка прочности деталейдвигателяПод надежностью изделия (в частности поршневого двигателя) понимается свойство последнего выполнять заданные функции, сохраняя уровень техникоэкономических показателей в определенномдиапазоне в течение заданногопромежутка времени или наработки.
Надежность двигателя, включаябезотказность его работы, связанасо сроком службы (долговечностью). Под сроком службы двигате66ля или отдельных его узлов и деталей понимается время работы (вчасах или километрах пробегатранспортного средства), а такжечисло циклов нагружения N. Допустимый срок службы двигателяназывают ресурсом.Количественнонадежностьтехнического объекта характеризуется вероятностью его безотказной работы Р(t). Например, привероятности безотказной работыдвигателя 0,99 за ресурсный период допускается 1 отказ двигателяиз 100, находящихся в эксплуатации. При этом под отказом понимается потеря двигателем работоспособности. Вероятность отказаза время tВнезапные отказы (например,поломки) характеризуются интенсивностью отказов l =1 t (t – средняя наработка на отказ).
ТогдаP(t) = e-lt. Плотность вероятностиотказов часто характеризуется нормальным распределениемf (t) =где S =S 2pe-( t -t ) 22S 2, (2.130)å(t i - t) 2– среднее квадk -1ратичное отклонение; k – число объектов испытания.Иногда лучшее описание результатов, например, усталостных испытаний дает нормальнологарифмическое распределение, когда понормальному закону распределяется логарифм наработки.Надежность, особенно такихсложных изделий, как двигатели,имеет в своей основе статистическую природу и вероятностную характеристику ее оценки. При этомв общем случае применяют статистические методы определения количества возможных отказов, используя математические моделинадежности. Нахождение вероятностей безотказной работы на стадии проектирования является достаточно сложным.Основным при оценке прочностной надежности является методопределения коэффициентов запаса прочности. В общем случае подкоэффициентом запаса прочностипо напряжениям понимается отношение величины предельного напряжения sпред к максимальномузначению напряжения smах при работеtQ = ò f (t)dt ,1(2.129)0где f(t) – плотность вероятности отказов.Функции Р(t) и Q(t) связаны соотношением Р(t) + Q(t) = 1.Вероятность безотказной работысистемы Р(t) при последовательномсоединении r элементов равна произведению их вероятностей безотказной работы.
При этом элементыпредполагаются независимыми, а вслучае одинаковости Рi(t) отдельных элементов P(t) = Pi r (t).Среди отказов различают постепенные и внезапные. Прочностнойнадежностью называется отсутствие внезапных отказов. Постепенные отказы, связанные в первуюочередь с изнашиванием элементовподвижных соединений, занимаютособое место при оценке ресурсадвигателя. В дальнейшем будутрассматриваться прочностные аспекты обеспечения работоспособности поршневых двигателей.n=67s предs max.(2.131)анализе элементов двигателей, изготовленных из традиционных материалов (стали, чугуны, алюминиевые сплавы и др.), правомерно.При построении модели нагружения основных деталей двигателярассматриваются сосредоточенные,распределенные и объемные (массовые) силы.
При этом учитываетсяизменение этих сил в течение рабочего цикла двигателя, а также нестационарность режимов работы в ходеэксплуатации. Сказанное в равноймере относится к тепловым нагрузкам, которым подвержены теплонапряженные детали двигателя.Оценка прочностной надежности связана с принимаемой прианализе последней моделью разрушения. При формулировании условий прочности при различных условиях нагружения выделяют статическое, длительное статическое, малоцикловое и усталостное разрушение.
В условиях переменных тепловых нагружений имеет место термическая усталость. При выборе модели разрушения при оценке прочностной надежности детали двигателяследует учесть свойства материала,из которого изготовлена деталь, впервую очередь, пластичность.При расчетах на прочность деталей двигателя ранее широко использовалось условие непревышениянаибольшими напряжениями smax вопасных точках величины допускаемых напряжений [s]: smax £ [s]. Однако такая оценка является условной, так как не говорит о характеревозможного разрушения, не отражает режима работы детали, марки материала детали, технологии изготовления и др.Б\льшее представление о прочностной надежности дает величиназапаса прочности n. При этом вформуле (2.131) в зависимости отусловий нагружения в качестве sпредУсловие прочностной надежностиимеет видn ³ [n],(2.132)где [n] – допустимое значение коэффициента запаса прочности.При постоянных во времени нагрузках [n] рекомендуется порядка1,8–2,0, а при случайных переменных нагрузках [n] принимают дозначений 3–5.Назначение величины коэффициента запаса прочности являетсяответственным моментом при проектировании двигателя и опираетсяна большой опыт испытаний и расчетов узлов и деталей двигателейразличных типов и назначений.Ниже рекомендуемые величиныкоэффициентов запаса будут конкретизированы применительно котдельным базовым элементам поршневых двигателей.Модель прочностной надежности элемента (детали) двигателявключает модель материала, модель нагружения, а также модельформы и модель разрушения.В связи со сложной формой основных деталей двигателя их геометрическое представление осуществляется с помощью конечноэлементных моделей различной размерности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
