Шабров Н.Н. - Метод конечных элементов в расчётах деталей тепловых двигателей (1061803), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Следовательно, преимущественная роль в механизме образования температурных напряжений в стенке принадлежит сугубо тепловому смещению гребня поршня. Таким образом, регулируя соотношение температурных уровней гребня поршня и зоны первой кольцевой канавки, можно планировать температурные напряжения в районе поднутрения и в кольцевых канавках.
В заключение по анализу механической и тепловой напряженности поршня дизеля типа ДКРН 75/160 следует отметить, что основополагающие гипотезы МКЭ(идеи дискретизации контипуального тела системой конечных элементов и приближенная аппроксимация решения в предслах индивидуального элемента), а следовательно, и изложенная здесь методика не теряют общности под- 174 хода к решению таких задач, как определение напряжений концентрации в произвольно нагруженных телах сложной геометрической формы. Это предположение было подтверждено нами при численном решении при помощи разработанных методик задачи о концентрации напряжений в сплошном цилиндре с внешней эллиптической выточкой. Результаты численного решения этой.
задачи хорошо совпадают с точным решением. Таким образом, возможность анализа на основе МКЭ напряжений концентраци~г позволяет существенно расширить диапазон исследований прочности поршней. Рис. 9.28. Изменение теоретического коэффициента концентрации по дуге внутреннего угла первой кольцевой канавки Расчет напряжений концентрации целесообразно выполнять в два этапа.
На первом этапе определяются так называемые номинальные напряжения при довольно крупной разбивке на конечные элементы. На втором этапе решения применяется иетод иатеиатической линзы, суть которого заключается в следующем. Из основной конструкции вырезается подобласть, где предстоит исследовать напряжения концентрации, затем она разбивается на требуемое число конечных элементов.
Далее решается самостоятельная задача для подобласти при граничных условиях на поверхностях разреза, взятых из решения задачи на первом этапе. На рис. 9.28 показаны основные этапы и приведены результаты расчета теоретического коэффициента концентрации по дуге внутреннего угла первой кольцевой канавки поршня дизеля типа ДКРН 75!160. Максимальное значение теоретического коэффициента концентрации ссставляст 1,72 и имеет место в точке дуги, радиус-вектор которой наклонен под углом 25 к горизонтали.
гг о 9.4. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО И НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕЛЬНОГО ПОРШНЯ ДИЗЕЛЯ ЧН 21~21 Рассмотрение конструкций цельных поршней быстроходных дизелей исключает постановку задачи расчета напряженно-деформированного состояния в качестве осесимметричной. Это объясняется формой поршня и характером действия нагрузки [5, 71. В значительной мере сказанное относится к поршням с малым значением отношения Й!В, для которых в расчетной схеме невозможно выделить осесимметричную часть.
Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что в общем случае любая составляющая нагрузки в цельном поршне (силы инерции, давления газов, силы реакции, тепловая нагрузка) имеет явно выраженный трехмерный закон распределения [9]. Причем, если для сил инерции и сил давления газов совместно с реактивными усилиями этот закон довольно прост по форме и определяется в основном геометрией поршня, то для тепловой нагрузки закон распределения более сложен и определяется различными факторами. К числу важнейших следует отнести форму поршня, способ его охлаждения, характер протекания рабочего процесса и процессов очистки и наполнения цилиндра. И все же для дизелей с неразделенной камерой сгорания, даже при таком сложном законе нагружения, имеется возможность выделить в поршне симметрично нагруженные области.
В зависимости от конструкции крышки цилиндра эти области будут образованы либо одной, либо двумя плоскостями симметрии, проходящими через ось поршня. Выявление таких симметричных областей в поршне, естественно, облегчает выбор расчетной схемы, но не в ущерб достоверности получаемых результатов, поскольку в данном случае можно всю мощность программы сосредоточить на детальном анализе симметрично нагруженной части. При рассмотрении теплового и напряженно-деформированного состояния серийного поршня дизеля ЧН 21/21 есть все основания ограничиться четвертью конструкции, вырезанной двумя взаимно перпендикулярными и проходящими через ось поршня плоскостями симметрии. Анализируя теплонапряженность поршня при его положении в верхней мертвой точке, указанные условия симметрии для некоторых составляющих нагрузки необходимо выполнять достаточно строго.
Этими составляющими являются силы инерции, силы давления газов и силы реакции, действующие по опорной поверхности бобышки. Вместе с тем экспериментальные данные показывиот, что четырехклапанная конструкция крышки цилиндра, а также организация очистки и наполнения цилиндра в известной мереобусловливаютзакон распределения температуры в поршне, прн котором с незначительными допущениями тоже выполняются условия так называемой четвертной симметрии, Таким образом, не умаляя общности задачи расчета теплона- 176 пряженности цельного поршня дизеля ЧН 21/21, ограничимся' рассмотрением четверти всей конструкции поршня. Расчетная модель поршня содержит около 1200 базовых конечных элементов тетраэдального типа (рис.
9.29). Расчет температурного поля для этой модели предполагает задание произвольных граничных условий теплообмена на огневой и охлаждаемой поверхностях. Это дает возможность пользоваться локальными параметрами теплообмена. Однако, как отмечалось ранее, до сих пор не суще- ствует достаточно апробированных расчетных 1 методик определения локальных параметров теплообмена в трехмерной постановке. Принимая во внимание то, что исследуемый поршень имеет камеру, аналогичную по форме камере рассмотренного ранее составного поршня дизеля типа ЧН 21/21, воспользуемся расчетной методикой определения локальных параметров теплообмена в осесимметричной головке составного поршня быстроходного дизеля.
При этом на первый взгляд может показаться, что мы вообще вынуждены отказаться от трехмерной постановки задачи определения температурного поля в цельном поршне. Однако на самом деле, даже при Рнс. 9.29. Схема разбивки пори-- ня дизеля ЧН 21,~21 на конечные элементы осесимметричных граничных условиях теплообмена со стороны камеры сгорания, закон распределения температуры все же будет иметь трехмерный характер преимущественно за счет геометрических факторов конструкции цельного поршня.
Весь комплекс расчетов: по определению параметров теплообмена со стороны огневой поверхности поршня проводился для режима работы дизеля при Р, = 1,2 МПа и и =-- 156 с '. В представленной на рис. 9.29 расчетной модели поршня в явном виде не присутствуют компрессионные кольца. Вместе с тем условия теплообмена в них существенно влияют на распределение. температуры в теле поршня.
В данном случае, вероятно, имеет смысл использовать предложенную в работе И6] тепловую модель, которая эквивалентна теплопередаче в компрессионных кольцах в реальных условиях. Модель определяет эквивалентное тепловое сопротивление компрессионного кольца с прилегающим участком поршня, на основании которого для принятой расчетной схемы можно задать коэффициент теплопередачи от соответствующего участка тронковой поверхности во втулку 17T При определении коэффициентов теплоотдачи в зазоре между толовкой поршня и втулкой (от юбки поршня во втулку), а также при назначении граничных условий теплообмена на опорной поверхности бобышки использовался накопленный на кафедре .ДБС ЛПИ богатый опыт моделирования на электроинтеграторах температурных полей в поршнях двигателей внутреннего сгорания. Наконец, из условий симметрии следует, что тепловой поток через плоскости симметрии должен отсутствовать, т.
е. плоскости симметрии являются теплоизо- 695 лированными, Полная схема задания граничных условий Чвз 505 теплообмена в исследуемом ~бл поршне приведена на рис. 9.30. янз ф Там же представлено рассчи- цО танное температурное поле для 'Ж ~Оз двух характеристик продольных сечений поршня. Результаты расчета свиде- тельствуют о незначительном !Рис. 9.30.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
