Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 85
Текст из файла (страница 85)
9.61) выделена 21 зона, в пределах каждой из которыхусловия теплообмена приняты неизменными (см. табл. 9.11).9.11. Граничные условия, теплофизические свойства огневого днища крышки по зонамВ плоскости днищаЗоныIОгневая поверхностьa,l,a1,q0,Тср, °СВт/м2 Вт/(м ×°С) Вт/(м2×°С)Вт/(м2×°С)23,3Тср1, °ССторона охлажденияТср2,a1,t, смВт/(м2×°С) °С3002911,63902330741,5II0,0002911,63902330741,5III0,0002911,63902330741,5IV0,0002923,307902330741,5V0,00029349,007902330741,5VI0,00029465,007902330741,5VII0,00029465,007902330741,5VIII0,00029349,007902330741,5IX349,0790029349,007902330741,5X2330,0440029465,007902330741,5XI2330,0460029465,007902330741,5XII2330,0460029349,007902330741,5XIII2330,0420029233,007902330741,5XIV2330,0420029349,007902330741,5XV2330,0420029465,007902330741,5XVI2330,0360029465,007902330741,5XVII2330,0300029349,007902330741,5XVIII2330,0300029233,007902330741,5XIX2330,0280029349,007902330741,5XX2330,0280029465,007902330741,5XXI2330,0340029465,007902330741,5410Рис.
9.62. Температурное поле днища крышки цилиндров:а – распределение температуры Т0 в срединной плоскости; б – перепад DT ² по толщинеднища (в рамках даны экспериментальные данные)На рис. 9.62 представлены результаты расчета стационарноготемпературного поля в срединнойплоскости и температурного перепада DT ² по толщине днища одного из вариантов крышки двигателятипа ЧН26/26, соответствующиережиму работы ре = 1,5 МПа, n == 700 мин-1. Число элементов, накоторые была разбита половинаднища, составляло 808 при 496 узлах. Расчет выполнен с помощьюпрограмм решения модифицированных плоских задач.Следует отметить, что при задании условий теплообмена третьегорода только по боковым поверхностям днища, а на нижней и верхнейего поверхностях задании условийвторого рода (тепловых потоков)f2 = 0 и при расчете температурногополя днища может быть использована любая конечноэлементнаяпрограмма решения плоской задачи теплопроводности.Более точные результаты получают при использовании трехмерныхконечноэлементных моделей крышек цилиндров.
Построению конечноэлементной модели предшествует создание ее твердотельноймодели с помощью одного из программных комплексов, например,Solid Works. Созданная твердотельная модель экспортируется в расчетный программный комплекс,411например Ansys, с помощью которого осуществляется конечноэлементное моделирование теплового,а затем и напряженнодеформированного состояния крышки цилиндра. Описанная процедура позволяет оперативно изменять различныегеометрические параметры крышкис автоматической регенерацией ееконечноэлементной модели.На рис. 9.63 представлена твердотельная модель усовершенствованной крышки цилиндров с вертикальным расположением форсунки двигателя типа ЧН26/26, а нарис.
9.64 ее конечноэлементнаямодель, содержащая 152 108 квадратичных тетраэдальных элементовпри 264 693 узлах.Рис. 9.63. Твердотельная модель крышки цилиндра ЧН26/26Рис. 9.64. Конечноэлементная модель полноразмерной крышки цилиндра ЧН26/26На рис. 9.65 показано температурное поле крышки усовершенствованной конструкции на режимеработы двигателя: ре = 2,24 МПа,n = 1000 мин-1. По сравнению скрышкой цилиндров прежней конструкции с наклонным расположением форсунки на указанном режиме работы двигателя получено снижение максимальной температурыднища на 20 °С.
Дальнейшее развитие математической модели крышкиРис. 9.65. Температурное поле крышки цилиндров двигателя типа ЧН26/26412связано с включением в нее впускных и выпускных клапанов.При раздельном моделированииТНДС втулки и крышки цилиндратрудно учесть их взаимное влияниепри работе двигателя. Будучи болеенагрета, крышка цилиндра воздействует на верхний бурт втулки, дополнительно нагружая его в радиальном направлении. В свою очередь, втулка, будучи прижата книжней плите крышки значительными монтажными усилиями, повышает жесткость периферийнойзоны крышки цилиндра.
Повыситьточность расчета можно созданиемсовместной математической модели обеих деталей. Кроме того, примоделировании температурных полей отдельно крышки и втулки требуется задавать условия теплообмена на границе сопряжения этих деталей.На рис.
9.А представлена твердотельная модель узла крышки цилиндра и втулки в сборе, а нарис. 9.Б, В соответственно конечноэлементные сетки крышки и втулки, которые при расчетах тепловогои напряженнодеформированногосостояний объединяют в общую конечноэлементную модель.На рис. 9.Г в качестве примерапредставлено температурное полеузла крышка–втулка на режиме повышенного форсирования по среднему эффективному давлению приn = 1000 мин-1. Крышка и втулкаизготовлены из чугуна ВПЧНМ скоэффициентом теплопроводностиl = 30 Вт/(м×К). Наибольшее значение температур отмечается на перемычке между выпускными клапанами и составляет порядка360 °С.
На рис. 9.Д показано температурное поле зоны I (см. рис. 9.Г)сопряжения крышки с втулкой.Температура в районе газовогостыка равна 180–190 °С.9.7.3. Математические моделиопределения напряженнодеформированного состоянияголовки (крышки) цилиндровГоловка (крышка) цилиндровпри работе двигателя воспринимает высокие тепловые, а также механические от давления газов нагрузки и является одной из наиболеетеплонапряженных деталей двигателя. Замыкая силовую схему двигателя, головка (крышка) подвержена значительным нагрузкам отзатяжки силовых шпилек, соединяющих головку цилиндров с корпусом двигателя. Будучи наиболеесложной по форме литой деталью,головка (крышка) зачастую испытывает заметные остаточные литейные напряжения, возникающиепри изготовлении.Многоуровневая система моделей определения напряженнодеформированного состояния (НДС)головок(крышек)цилиндроввключает модели различной сложности, различающиеся в первуюочередь степенью детализации геометрических особенностей головок(крышек) цилиндров.
С учетом высокого уровня температур и температурных напряжений некоторыематематические модели могут предусматривать расчет НДС при неупругом деформировании материала головки, в частности, в условияхползучести.Модели первого уровня предусматривают использование методов сопротивления материалов.Так, для расчета стационарныхтемпературных напряжений s ¢т вмежклапанных перемычках, вызванных пределом температур DT ¢в плоскости днища, может бытьиспользована стержневая модель.Межклапанные перемычки днища, включая перемычки отвер413метрирование днища натурныхкрышек цилиндров показало, чтопри расчете напряжений sт днищедопустимо рассматривать отдельно от остальной конструкциикрышки (головки), влияние отделенной от днища части на величину s ¢т составляет 12–15 %.Условия совместного деформирования и равновесия выделенныхстержневых элементов приводят ксистеме линейных алгебраическихуравнений относительно неизвестных усилий в перемычкахРис.
9.66. Схема для расчета температурныхнапряжений в перемычках днища:1, 2, 3 … i – номера перемычекстия под дополнительную камеру(при ее наличии), представляютсистемой элементов стержневоготипа (рис. 9.66) переменного поперечного сечения, нагретых доболее высокой по сравнению сокружающей их периферийнойзоной днища температуры.
ТензоPi = B i A ,(9.32)где i – номер перемычки.Напряжения s ¢тi в минимальномсечении iй перемычки площадьюF0i при сжимающем усилии Рi определяют по формулеs ¢тi = -Pi F 0 i .(9.33)Для крышки с тремя клапанамиили для двух клапанов и дополнительной камеры (рис. 9.67):Рис. 9.67. Схема для расчета температурных напряжений в крышке цилиндра вихрекамерного дизеля:1, 2, 3 … i – номера перемычек414B1 = c sin(b 2 - b 3 ); B 2 = -c sin b 3 ;üïB 3 = c sin b 2 ;ïC = a т 1 l1T1 (b 2 - b 3 ) - a т 2 l 2T 2 sin b 3 +ïï+ a т 3 l 3T 3 sin b 2 ;ýï22A = l 1 sin (b 2 - b 3 ) + l 2 sin b 3 +ï+ l 3 sin 2 b 2 + D[sin(b 2 - b 3 ) + sin b 2 - ïï- sin b 3 ]2 .þ(9.34)Для крышки с четырьмя клапанамиüï+ a т 3 l 3T 3 )(l 2 + l 4 + 4D ) ïï- 4D (a т2 l 2T 2 + a т4 l4 T4 );ïB 2 =(a т2 l 2T 2 +a т4 l4 T4 )(l 1 +l 3 + 4D ) - ýï-4D (a т1 l1T1 + a т3 l 3T 3 ); A = (l 1 + l 3 ) ´ï4ï´ (l 2 + l 4 ) + 4D ål i ,ïi =1þ(9.35)B1 = B 3 ; B 2 = B4 ; B1 = (a т 1 l1T1 +где li, li – соответственно длина иподатливость iй перемычки; T i –расчетная температура iй перемычки, равная разности между ее средней температурой Ti и осредненнойтемпературой периферийной зоныднища; D – коэффициент, характеризующий податливость периферийной зоны днища.Для крышек с двумя клапанаминапряжения s ¢т2 в межклапаннойперемычке определяются по известной формуле Г.
Ирмлераs ¢т2 =-a т E (T 2 -T1, 3 )éF 02 ùê1 + F + F ú0103 ûë. (9.36)Так как площадь Fi поперечногосечения перемычки переменна поее длине, податливость перемычкиlil i = ò dl E i F i .0Упрощенное определение податливости li через площадь F0iминимального сечения перемычкине вносит больших различий прирасчете напряжений по формулам(9.32)–(9.35).Осредненное значение податливостей сопряжения можно рассматривать как среднюю податливость периферийной зоны. Последняя для круглых крышек с наружным радиусом rн может быть оценена как податливость толстого кольца, образуемого наружным кольцом крышки, внутренний радиускоторого соответствует окружности, проведенной из центра днищачерез точки условного сопряженияперемычек с периферийной зоной(при числе отверстий под клапаныболее двух), т.е.22D = [(rн2 + rвн) (rн2 - rвн) + m] (2 pEt ),где t – толщина периферийной зоны днища.Для многоклапанных крышек(головок) многогранной, прямоугольной (квадратной) формы в качестве наружного контура приоценке rн следует принять окружность, вписанную в многогранник.Более надежные характеристикиподатливости периферийной зонымогут быть найдены экспериментально или с помощью численногомоделирования.Температурные напряжения s ¢¢т ,вызванные температурным перепадом по толщине днища, а также напряжения, связанные с неравномерностью температуры по ширинеперемычки разноименных клапанов, можно оценить по упрощенным зависимостям415s ¢¢тi = ± ki¢¢a тi E i DT i¢¢;s ¢¢¢тi = ± ki¢¢¢a тi E i DT i¢¢¢,(9.37)где T i¢¢ и T i¢¢¢ – температурные перепады соответственно по толщине иширине iй перемычки; ki¢¢ и ki¢¢¢ –коэффициенты, учитывающие податливость закрепления перемычки при изгибе под действием соответствующих температурных перепадов; знак "минус" соответствуетболее нагретой стороне перемычки.Максимальные напряжения, возникающие на контурах отверстий,определяют по формуламs ¢тi max = K s ¢т s ¢тi ; s ¢¢¢тi max = K s ¢¢¢т s ¢¢¢тi ,где K s ¢т и K s ¢¢¢т – коэффициентыконцентрации напряжений на контуре отверстия в минимальном сечении перемычки, определяемые взависимости от отношения l полуширины b0i /2 перемычки к радиусуотверстия (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
