Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ

УДК 621.436.001-52

Автореферат

на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

НАУКОВІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТРИВАЛОЇ МІЦНОСТІ ПОРШНІВ ШВИДКОХІДНИХ ДИЗЕЛІВ ПРИ ВИКОРИСТАННІ САПР

Спеціальність 05.05.03 - Теплові двигуни

Пильов Володимир Олександрович

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Двигуни внутрішнього згоряння” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Заслужений діяч науки України, доктор технічних наук, професор

Шеховцов Анатолій Федорович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри двигунів внутрішнього згоряння.

Офіційні опоненти: Заслужений діяч науки України, доктор технічних наук, професор

Рязанцев Микола Карпович,

Казенне підприємство “Харківське конструкторське бюро з двигунобудування”, м. Харків, генеральний конструктор;

доктор технічних наук, професор

Заренбін Володимир Георгійович,

Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри експлуатації та ремонту машин;

доктор технічних наук, професор

Сімбірський Дмитро Федорович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків, професор кафедри конструкцій авіаційних двигунів.

Провідна установа: Національний транспортний університет, кафедра двигунів і теплотехніки, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “_12_” __червня____2002 р. о _13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.13 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул.Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розісланий “_10_” ____травня____2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Парсаданов І.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

поршень дизель термонапружений навантаження

Актуальність теми

Світові тенденції розвитку двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), темпи їх проникнення на ринки збуту та досвід розробки свідчать, що поряд із суттєвим підвищенням вимог до техніко-економічних показників неодмінними виступають умови значного зменшення проектних витрат та скорочення часу розробки проекту. При цьому висока функціональна складність двигунів, жорсткі вимоги до термінів реалізації проектно-конструкторських робіт, скорочення всіх інших етапів життєвого циклу конструкції, обмеження по вартості проектів постійно вступають у протиріччя з існуючими методами проектування. Саме внаслідок цієї обставини сучасні концепції і технології проектування є основними факторами, що визначають рівень досконалості нової техніки.

Важливим якісним моментом сучасного проектування є дотримання концепції, що поєднує науково-технічні та ринкові аспекти виробництва двигунів. Це досягається шляхом орієнтації проекту на обраний сегмент споживчого ринку, тобто на забезпечення відповідності нового двигуна певним специфічним умовам його експлуатації.

Широкий досвід розробки, випробувань, експлуатації двигунів різноманітного призначення свідчить, що перспективне їх форсування є вкрай несприятливим фактором, який визначає працездатність конструкції. Водночас важливо, що коли певна конструкція не задовольняє вимогам експлуатаційної міцності, то вона, незважаючи на показники інших критеріїв якості, безумовно відкидається. При цьому забезпечення заданого ресурсу (тривалої міцності) особливо термона-пружених зон деталей камери згоряння (КЗ), перш за все поршнів високофорсованих дизелів, є однією з важливіших проблем, які потребують свого розв'язання в процесі проектування двигунів, їх модернізації.

Експериментально встановлено і теоретично показано, що рівень тривалої міцності поршня залежить від форми КЗ і конструкції поршня в цілому, особливостей підведення і відведення теплоти на його границях, суттєво нелінійної залежності фізичних властивостей матеріалів від температури, рівня форсування двигуна, нестаціонарності його навантаження. Практично всі ці фактори є функцією моделі експлуатації двигуна наданого технологічного призначення.

Серед причин, які впливають на руйнування особливо термонавантажених зон поршнів, основними вважаються: миттєві пластичні деформації, що виникають на форсованих режимах роботи двигуна; малоциклова термічна утома, що визначається наявністю перехідних процесів аперіодичного навантаження дизеля; багатоциклова термомеханічна утома, що обумовлена високочастотною періодичною зміною значень параметрів робочого тіла в циліндрі двигуна; процес повзучості матеріалу в діапазоні робочих температур і термічних напружень поршнів; релаксація термопружних напружень, що супроводжує процес повзучості за умов обмежень деформацій останньої.

На засадах урахування цих причин і факторів отримано значний досвід щодо забезпечення працездатності теплонапружених зон поршнів при досягнутому рівні форсування двигунів, розроблено рекомендації з їх конструктивного виконання. Водночас у вітчизняній і світовій літературі відмічається, що при перспективних рівнях форсування дизелів виникають суттєві труднощі щодо забезпечення заданого ресурсу конструкцій. При цьому в загальному випадку множина конкуруючих конструктивних рішень, що підлягає аналізу, не є визначеною. Це означає, що усі впливові фактори в процесі проектування поршнів повинні широко варіюватися з метою узгодження вимог технічного завдання та власно результатів проектування.

Реальним шляхом розв'язання цієї проблеми є: подальший розвиток наукового уявлення щодо процесів накопичення руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантажених зонах поршнів; розробка відповідного комплексу методик з прогнозування вказаних процесів; розширення набору характеристик пружно-пластичного високотемпературного деформування матеріалу; використання методів і засобів САПР, впровадження яких направлене на реальне отримання результату з підвищення якості поршнів за умов використання уточнених моделей при жорстких обмеженнях на час проведення багатоваріантного аналізу конкуруючих конструкцій та вартість проекту.

У зв'язку з вищесказаним, актуальність дисертаційної роботи полягає в розробці комплексу науково обґрунтованих методик, що дозволяють забезпечити заданий рівень експлуатаційної тривалої міцності поршнів перспективних швидкохідних дизелів з використанням методів і засобів САПР.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Обраний напрям дисертаційного дослідження відповідає Державній програмі розвитку двигунобудування України на 1996-2000 р.р., конкурсним проектам Міністерства освіти і науки України “Проведення фундаментальних досліджень і розробка фізико-хімічних основ покращення до світового рівня експлуатаційних показників перспективних автомобільних двигунів українського виробництва по комплексу критеріїв максимального тепловикористання і найменшої токсичності при заданому рівні тривалої міцності і широкому використанні альтернативних палив і матеріалів” на 1997-1999 р.р.(ДР №01970001929) та “Фундаментальні дослідження з розробки наукових основ забезпечення конкурентоспроможності вітчизняних автотранспортних двигунів внутрішнього згоряння по еколого-економічному критерію на базі комп'ютерного управління паливо- та повітряпостачанням, глибинною вторинною утилізацією і хімічною нейтралізацією викидів” на 2000-2002 р.р.(ДР №0100х001655), роботи з яких виконувались в проблемній науково-дослідній лабораторії перспективних двигунів внутрішнього згоряння кафедри ДВЗ НТУ “ХПІ”.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є розробка наукових основ та на цих засадах комплексу методик, що дозволяють забезпечити заданий рівень тривалої міцності особливо термонавантажених зон поршнів форсованих швидкохідних дизелів певного технологічного призначення при використанні САПР.

Об'єкт дослідження - теплонапружений стан і тривала міцність особливо термонавантажених зон поршнів з урахуванням моделей експлуатаційного нестаціонарного навантаження дизелів.

Предмет дослідження - поршні перспективних форсованих швидкохідних дизелів, відмінних за своїм технологічним призначенням.

Методи дослідження - визначення теплонапруженого стану поршня шляхом проведення чисельних експериментів з використанням набору еквівалентних моделей різних рівнів складності, ідентифікація яких здійснюється за експериментальними даними та результатами використання методу скінченних елементів (МСЕ); опис процесу циклічної повзучості згідно з теорією зміцнення з урахуванням тривалості циклу термонавантаження матеріалу; визначення величин руйнуючих пошкоджень повзучості на основі енергетичного критерію міцності; прогнозування малоциклової утоми матеріалу поршня за методикою, що базується на використанні узагальненого принципу Нейбера та рівняння Поспішила; оцінка тривалої міцності кромки КЗ поршня за розрахунково-експериментальним методом з урахуванням комплексного впливу процесів утоми, миттєвих пластичних деформацій, деформацій циклічної повзучості, зміцнення матеріалу в умовах дії повзучості та релаксації термічних напружень на процес накопичення руйнуючих пошкоджень.

Для досягнення поставленої мети в роботі визначені такі основні задачі:

1. Розробка методології проектування КЗ поршня швидкохідного дизеля в САПР.

2. Математичне моделювання термонапруженого стану поршнів в широкому діапазоні експлуатаційних навантажень швидкохідних дизелів на початкових стадіях проектування поршня в САПР.

3. Математичне моделювання процесу накопичення руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантажених зонах КЗ поршнів з урахуванням циклічності навантаження дизелів і зміни характеристик повзучості в процесі експлуатаційного навантаження поршня.

4. Розробка теоретичних моделей нестаціонарного навантаження швидкохідних дизелів різного експлуатаційного призначення.

5. Оцінка в САПР впливу різноманітних конструктивних та експлуатаційних факторів на тривалу міцність кромок КЗ поршнів.

6. Розробка комплексу ресурсних критеріїв різних рівнів складності та методології конструктивної оптимізації поршня з використанням набору цих критеріїв.

7. Розробка пілотного циклу оптимізації конструкції поршня в САПР з метою досягнення заданого рівня тривалої міцності кромки КЗ.

Проблема проектування поршня швидкохідного дизеля в такій постановці вирішується вперше.

Наукова новизна одержаних результатів

При розв'язанні комплексу сформульованих задач в роботі отримано нові наукові результати:

1. Уперше сформульовано положення системного підходу до проектування в САПР камери згоряння поршня швидкохідного дизеля з урахуванням експлуатаційного ресурсу як критерію якості конструкції.

2. Уточнено умови забезпечення достовірного прогнозування температурного стану конструкції поршня на початкових стадіях його проектування в САПР. Вони стосуються необхідних і достатніх законів апроксимації граничних умов (ГУ) та припустимих похибок завдання останніх по усім поверхням поршня швидкохідного дизеля.

3. З метою прогнозування температурного стану конструкції поршня на експлуатаційних режимах роботи швидкохідного дизеля вперше запропоновано емпіричну модель опису ГУ 3-го роду задачі теплопровідності в залежності від літрової потужності двигуна.

4. Розширено перелік умов забезпечення достовірного прогнозування тривалої міцності конструкції поршня. На цій основі удосконалено модель деформування матеріалу поршня в особливо термонавантаженій зоні КЗ.

5. Запропоновано і розповсюджено використання енергетичного критерію міцності при повзучості на прогнозування величин руйнуючих пошкоджень матеріалу поршня з урахуванням перехідних процесів навантаження двигуна та зміни знаку навантаження матеріалу.

6. Уперше встановлено, що врахування закидів термічних напружень в зоні кромки КЗ поршня в процесі навантаження дизеля є обов'язковою умовою моделювання процесу накопичення пошкоджень повзучості.

7. Уперше визначено дві характерні зони циклу низькочастотного термонавантаження матеріалу поршня, в яких має прояв процес повзучості. Показано, що внаслідок складного закону зміни термічної напруженості кромки КЗ поршня форсованого дизеля напруження розтягу матеріалу відповідають зоні максимальної температури циклу.

8. Встановлено, що накопичення пошкоджень в зоні кромки КЗ поршня слід враховувати окремо для кожного перехідного процесу загальної моделі експлуатації дизеля.

9. Показано, що на початкових стадіях проектування поршня прогнозування закидів термічних напружень в зоні кромки його КЗ припустимо виконувати на основі критерію Предводителєва. Встановлено характерний розмір поршня для використання в обраному критерії.

10. Уточнено формулу для розрахунку експлуатаційної тривалої міцності деталі КЗ. Оцінено вплив форми КЗ поршнів, рівня форсування та особливостей технологічного призначення двигунів на тривалу міцність КЗ поршнів швидкохідних дизелів.

11. Запропоновано нові критерії оцінки термічної напруженості поршня для якісно еквівалентних моделей аналізу різних рівнів складності. Поширено використання функції бажаності Харрінгтона на чисельні оцінки якості конструкції поршня.

Наведені положення являються теоретичною основою вирішеної в дисертації наукової проблеми.

Практичне значення одержаних результатів

Практичну цінність роботи складає наступне:

1. Розроблено загальну структуру комплексу автоматизованого проектування КЗ поршня швидкохідного дизеля та методологію проходження проекту в САПР.

2. Виконано структурну типізацію конструкцій поршнів швидкохідних дизелів та отримано типову логічну формулу для математичного опису області поршня в САПР.

3. Розроблено основні елементи підсистем автоматизованого синтезу нарисно-графічної інформації та конструкторської документації поршнів, інших деталей КЗ.

4. Ідентифіковано емпіричну модель ГУ 3-го роду для множини конкуруючих конструкцій поршнів та всього діапазону експлуатаційних навантажень швидкохідних дизелів.

5. З метою підвищення ефективності підсистем аналізу температурного та пружно-деформованого стану поршня розроблено комплекс моделей, еквівалентних до моделей МСЕ. Вказаний комплекс складають моделі регіонально-структурного методу та аналітичні моделі.

6. На основі теоретичних узагальнень та обраної моделі пружно-пластичного деформування матеріалу поршня розроблено комплексну методику і програму для прогнозування тривалої міцності особливо термонавантажених зон поршнів швидкохідних дизелів. При цьому враховано вплив процесів миттєвої пластичної деформації, циклічної повзучості і порогу такої повзучості, зміцнення матеріалу в процесі повзучості, релаксації напружень, утоми і, нарешті, сумісної дії перерахованих факторів для складного низько- та високочастотного навантаження особливо термонавантаженої зони поршня. Надано оцінку впливу різних конструктивних та режимних факторів на тривалу міцність кромок КЗ поршнів швидкохідних дизелів.

7. Розроблено методику отримання теоретичної моделі експлуатаційного нестаціонарного навантаження двигуна певного технологічного призначення. Запропоновано моделі експлуатації двигунів сільськогосподарського, дорожньо-будівельного, лісопромислового призначення. Визначено ресурс поршнів при перспективному рівні форсування двигунів розглянутого експлуатаційного призначення.

8. Подано п'ять еквівалентних моделей оцінки термічної напруженості поршня різних рівнів складності. На цій основі запропоновано методологію конструктивної оптимізації поршня швидкохідного дизеля за ресурсним критерієм.

9. Запропоновано нові конструктивні варіанти поршнів швидкохідних дизелів. Наведено приклади оцінки якості конструкцій поршнів в усіх розроблених підсистемах САПР для моделей запропонованих рівнів складності. Подано пілотний цикл проходження проекту поршня в блоці оптимізації з метою досягнення заданого рівня тривалої міцності конструкції.

Результати наукового дослідження впроваджені в Головному спеціалізованому конструкторському бюро по двигунам середньої потужності (номера регістрації звітів: №1279 від 1998 р.; №1284 від 2000 р.); використовуються в практиці бюджетних НДР та ВКР в проблемній науково-дослідній лабораторії кафедри ДВЗ НТУ “ХПІ”, а також в учбовому процесі цього навчального закладу для підготовки студентів спеціальності 090210 - двигуни внутрішнього згоряння та аспірантів.

Особистий внесок здобувача

При виконанні дисертаційного дослідження здобувач прийняв участь в розробці вагомих методик і програм:

- визначення теплового та пружно-деформованого стану поршня структурним та регіонально-структурним методами в САПР;

- прогнозування величин руйнуючих пошкоджень повзучості поршнів швидкохідних дизелів на основі використання енергетичного критерію міцності та з урахуванням релаксації термічних напружень;

- прогнозування експлуатаційного ресурсу особливо термонавантажених зон поршнів на основі врахування комплексного впливу процесів утоми і циклічної повзучості на процес накопичення руйнуючих пошкоджень з використанням моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигуна певного технологічного призначення.

В опублікованих працях особисто здобувачем виконано:

- сформульовано положення системного підходу до проектування КЗ поршня з заданим рівнем тривалої міцності та з урахуванням вимоги розподілу ринку дизелів за експлуатаційним призначенням;

- розроблено дві принципові схеми та відповідні методики проходження проекту КЗ поршня швидкохідного дизеля в САПР, сформульовано умови їх ефективного використання;

- отримано типові логічні формули для математичного опису моделі поршня та його окремих елементів;

- розроблено загальну схему програми-конвертора для передачі даних з розрахункового блоку САПР в графічну підсистему. Розроблено конвертори щодо типових і оригінальних деталей КЗ двигуна;

- запропоновано модель завдання ГУ 3-го роду задачі теплопровідності поршня в залежності від літрової потужності двигуна. Знайдено спосіб корегування такої моделі для поршнів швидкохідних дизелів;

- розроблено методику еквівалентування моделі пружно-деформованого стану поршня за методом R-функцій на основі моделі МСЕ;

- визначено поріг циклічної повзучості поршневого сплаву АЛ25;

- обрано теоретичну модель циклічного низькочастотного пружно-пластичного деформування особливо термонапруженої зони поршня, що враховує миттєві пластичні деформації, циклічну повзучість, релаксацію термічних напружень в умовах стиску і розтягу;

- встановлено дві характерні зони прояву процесу повзучості в циклі низькочастотного навантаження поршня;

- запропоновано уточнення методики розрахунку величин руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантаженій зоні поршня шляхом урахування сумісної дії процесів миттєвої пластичної деформації, циклічної повзучості і порогу повзучості, релаксації термічних напружень і утоми;

- розроблено методику й отримано теоретичні моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигунів силових установок різноманітного технологічного призначення. Уточнено методику оцінки відносного ресурсу поршня;

- запропоновано еквівалентні моделі різних рівнів складності оцінки термічної напруженості поршня. Розроблено методологію оптимізації конструкції поршня за ресурсним критерієм.

Апробація результатів дисертації

Основні результати досліджень, що включені до дисертації оприлюднено на І, II, III, VI Конгресах двигунобудівників України з міжнародною участю, Київ - Харків - Рибач'є, 1996-1998, 2001 р.р.; на конференціях “Ресурсозбереження і нові технології” в Таврійській державній агротехнічній академії (м.Мелітополь), 1995, 1999 р.р.; на міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я”, Харків - Мішкольц - Магдебург (Україна -Угорщина - Німеччина), 1993-2001 р.р.; на науково-технічних конференціях Харківської державної академії залізничного транспорту, 1994, 1996-1999 р.р.

Публікації

Результати дисертаційної роботи опубліковано в одноосібній монографії, в семи статтях в наукових збірниках, в трьох статтях у наукових журналах, в двадцяти шести статтях у збірниках наукових праць, в чотирьох тезах доповідей; отримано два патенти України.

Обсяг та структура дисертації

Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, чотирьох додатків. Повний обсяг дисертації складає 409 сторінок; з них 57 ілюстрацій по тексту, 58 ілюстрацій на 48 сторінках; 29 таблиць по тексту, 22 таблиці на 14 сторінках; 4 додатка на 32 сторінках; 225 найменувань використаних літературних джерел на 24 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми та обґрунтовується актуальність розглянутої теми, сформульовано мету, основні задачі дослідження та шляхи їх вирішення.

Перший розділ присвячено питанням: аналізу ефективності сучасних САПР ДВЗ; розгляду задач і цілей автоматизованого проектування двигунів, шляхів та передумов їх досягнення; конкретизації задач автоматизованого проектування КЗ поршня швидкохідного дизеля. До переліку задач САПР віднесено: опис геометричних та фізичних характеристик об'єкта проектування, необхідних для опису його функціонування; опис функціонування об'єкта, необхідний при встановленні його оптимальних характеристик; реалізація багатокритерійної оптимізації параметрів та характеристик об'єкта; опис геометричних та фізичних характеристик об'єкта проектування, необхідних для його виробництва. Для практичної реалізації цілі розподілу ринку стосовно до проектування двигуна чи його певної деталі запропоновано використовувати співвідношення:

. (1)

Тут - множина значень показників роботи двигуна та певної деталі, що проектується; f - множина вибраних для проектування деталі двигуна критеріїв ефективності, f=(f₁, f₂,…,f_n); X- множина можливих варіантів конкуруючих конструкцій деталі; E^k- декартовий простір розмірності k; x - вектор конструктивних параметрів деталі, x=(x₁, x₂,…,x_m); Ш - множина можливих експлуатаційних режимів роботи двигуна; О - модель експлуатації двигуна певного призначення, О={ о₁, о₂,…,о_j }; о_i, i=1,2j - представницькі режими роботи двигуна у вибраній моделі експлуатації; м_x - множина відповідних до f математичних моделей функціонування двигуна, м_x ={ м₁, м₂,…, м_j }.

У разі використання рівняння (1) пошук оптимальної конструкції x^опт повинен здійснюватись лише відповідно до конкретних умов (моделі) експлуатації двигуна О={ о₁, о₂,…,о_j }.

На цій основі запропоновано узагальнену схему проходження проекту двигуна чи його вузла в інтегрованій системі та загальну схему багатоетапної САПР КЗ поршня, виконано формулювання комплексу вимог для розв'язання проблеми проектування поршня з заданим рівнем тривалої міцності особливо термонавантажених його зон. До цих вимог віднесено: розробку типового математичного образу поршня швидкохідного дизеля (початкова задача створення САПР КЗ); прогнозування температурного стану поршня на довільному режимі роботи двигуна (центральна задача з точки зору поєднання математичних моделей м_x за впливом температури стінок КЗ на значення комплексу критеріїв ефективності f ); визначення тривалої міцності особливо термонавантажених зон поршня з урахуванням моделі експлуатації двигуна певного технологічного призначення (основна задача); реалізацію конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм на основі використання апарату кількісної оцінки якості конструкцій, що зіставляються, в тому числі, коли розмірності векторів конструктивних параметрів цих конструкцій не співпадають (така вимога є головною і передбачає урахування в САПР однакових за функціональним призначенням множин f , але різних за конструктивним виконанням поршнів з типової множини X ); розробку засобів синтезу конструкторської документації (кінцева задача створення САПР).

Важливим питанням з точки зору ефективного використання САПР є впровадження набору розрахункових еквівалентних моделей різних рівнів складності та автоматизація виконання всіх етапів робіт, що визначає досконалість програмного забезпечення в цілому.

Задовільнення перерахованих вимог розглядається в світлі конкретизації системного підходу до автоматизованого багатоваріантного аналізу та конструктивної оптимізації поршня з урахуванням ресурсного критерію якості.

Вперше для поршнів швидкохідних дизелів розроблено узагальнену схему конструкції. Вона має вигляд відповідно до рис1а. Тут подано власне поршень 1 та елементи, що підвищують міцність зони 2 кромки КЗ та області 3 поршневих кілець (ПК); кільцеву порожнину 4 для масляного охолодження; кільцеві вставки 5-7, низькотеплопровідні покриття 8,9. У цілому конструкція може мати довільне сполучення і кількість елементів, що її доповнюють, мати інші елементи. Типовий математичний образ конструкції поршня отримано на основі логічного опису власне тіла поршня і окремо кожного з додаткових елементів:

; ;

, i=1,2,...,9 , j=1,2,...,k , (2)

де Щ_i,j - елементарні підобласті, що утворюють шукану область Щ_i; - набір аналітичних функцій, які дозволяють окреслити область Щ_i.

Відповідно до рис.1б цей образ має вигляд:

. (3)

Власне тіло поршня розподілено на зони камери згоряння Щ_1,1, бокової поверхні Щ_1,2 та внутрішніх поверхонь днища й юбки Щ_1,3:

. (4)

Кожну із складових (4) побудовано з використанням елементарних підобластей Щ_1,1,j, Щ_1,2,j, Щ_1,3,j. Наведено методику розробки логічних формул окремих підобластей.

Розроблено основні елементи підсистем автоматизованого синтезу нарисно-графічної інформації та конструкторської документації для основних деталей КЗ.

Виконаний комплекс робіт дозволяє ставити завдання щодо автоматизованого проектування поршнів із заданим рівнем тривалої міцності.

У другому розділі розглянуто питання математичного моделювання термонапруженого стану поршнів в експлуатаційному діапазоні навантаження швидкохідних дизелів. Для розв'язання задачі в САПР розглянуто формулювання об'ємних і вісесиметричних задач нестаціонарної і стаціонарної теорії поля. З метою підвищення ефективності прогнозування термонапруженого стану конструкції шляхом подолання протиріччя між необхідністю використання моделей вищих рівнів складності та зростанням часу отримання результату запропоновано використання вісесиметричних моделей регіонального

, (5)

та регіонально-структурного

(6)

методів (R-функцій) як еквівалентних до моделей МСЕ. Тут U - шукане рішення; Ф, Ф_i - елементи деякої множини M, невизначені компоненти розв'язку; B - оператор; щ, щ_i - аналітичний опис області Щ та її підобластей (ділянок границі) Щ_i; б(щ_i, N_л), T_ср(щ_i, N_л) - локальні ГУ 3-го роду; ц₀ - відома функція.

Кожній невизначеній компоненті Ф_i,

, (7)

відповідає підобласть середовища (регіон) Щ_i з границями розділу середовищ , де надана компонента виявляє свій переважний або односкладовий вплив на формування рішення крайової задачі. Тут ц_l(r,z) - координатні функції, наприклад, поліноми ступеня m, сплайни тощо; C_l- невідомі коефіцієнти.

На основі використання методу R-функцій та системи “ПОЛЕ” (ІПМаш НАН України) розроблено ефективний програмний комплекс, призначений для оперативного виконання багатоваріантного аналізу конкуруючих конструкцій поршнів типового вигляду (3) при довільній зміні типових локальних ГУ, геометричних параметрів і фізичних властивостей області Щ та її регіонів. Виконані чисельні експерименти дозволили уточнити умови забезпечення достовірного прогнозування температурного стану поршня швидкохідного дизеля. Локальність завдання б зі сторони теплопідведення запропоновано враховувати в залежності від поточної координати похідної вогневої поверхні донця поршня, що відраховується від осі КЗ. Визначено необхідні і достатні закони апроксимації ГУ 3-го роду та припустимі похибки завдання останніх по усім поверхням конструкції з метою досягнення розбіжностей між експериментальними даними і розрахунковими результатами, що не перевищують 5%.

Запропоновано та реалізовано аналітичну емпіричну модель завдання локальних ГУ 3-го роду в задачі теплопровідності поршня в залежності від літрової потужності двигуна. Модель ідентифіковано для шести типів дизелів (4ЧН10,5/12; 4ЧН12/14; 6ЧН12/14; 6ЧН13/11,5; 8ЧН14,5/20,5; 8ЧН15/16) з відмінними типами КЗ поршнів. Достовірність результатів перевірено в діапазоні частот обертання колінчастого вала n = 950-2200 хв^-1. Температурний стан кромки КЗ поршня дизеля СМД19Н подано на рис2.

Запропоновано методику еквівалентування моделей пружно-деформованого стану конструкцій поршнів за даними методу скінченних елементів на основі порівняння розрахункових еквівалентних напружень у_e та значення критерія Смирнова-Аляєва в_у як характеристик навантаження,

,

де у₁, у₂, у₃ - головні нормальні напруження.

Результати пошуку ступеня полінома m в (7) подано на рис.3.

Третій розділ присвячено дослідженню механізму пружно-пластичного деформування матеріалу в особливо термонавантаженій зоні КЗ поршня та удосконаленню моделювання процесу накопичення руйнуючих пошкоджень в цій зоні з урахуванням комплексу виявлених впливових факторів.

На основі експериментальних даних щодо циклічної повзучості поршневого сплаву АЛ25 вперше встановлено поріг циклічної повзучості цього матеріалу в умовах експлуатаційних навантажень двигунів, що подано на рис.4. Отримані дані свідчать про можливість повзучості і релаксації напружень в області стиску і розтягу матеріалу навіть на режимах, близьких до холостого ходу.

На цій основі обрано модель деформування матеріалу поршня в зоні кромки КЗ. Її наведено на рис.5. Тут вхідний закон навантаження 1?-2? внаслідок ефектів пластичності, повзучості та релаксації напружень набуває вигляду 1?- 2?, а середнє напруження циклу вхідного закону суттєво відрізняється від дійсного середнього напруження . Водночас з урахуванням зміцнення матеріалу при повзучості мінімальна величина напруження (що відповідає точці 1?), максимальна його величина (точка 2?) та амплітуда напружень змінюються в часі. Таким чином, встановлено наявність складного зв'язку параметрів навантаження і деформування деталей КЗ, який водночас впливає на величини пошкоджень повзучості d_s і утоми d_f. При цьому процес повзучості носить незатухаючий характер, а закон зростання пошкоджень повзучості залежить, окрім іншого, від тривалості циклу навантаження та попереднього навантаження.

Для достовірного урахування пошкоджень повзучості за умов довільної зміни рівнів діючих температур і напружень в експлуатації, в тому числі при зміні знаку навантаження, обґрунтовано використання енергетичного критерію міцності. Для поршневого сплаву АЛ25 встановлено припустимість лінійного підсумовування пошкоджень повзучості.

Розроблено комплексну математичну модель накопичення пошкоджень в особливо термонавантаженій зоні поршня та на цій основі спрогнозовано тривалу міцність поршнів з урахуванням процесів: миттєвої пластичної деформації, циклічної повзучості і порогу циклічної повзучості, зміцнення матеріалу в процесі повзучості, релаксації термічних напружень, утоми, і, нарешті, сумісної дії перерахованих факторів. Граничний стан матеріалу за умов неізотермічного низькочастотного навантаження деталі запропоновано описувати рівнянням

. (8)

Тут N_fk - кількість циклів до руйнування матеріалу в умовах k-го циклу навантаження; - питома енергія розсіювання в умовах повзучості на k-му циклі навантаження; U^*- критичне значення енергії розсіювання.

Для наданого інтервалу часу виконується розрахунок релаксації напружень

, (9)

де швидкість повзучості визначається за теорією зміцнення

, (10)

а коефіцієнти з індексом ц алежать від тривалості низькочастотного циклу термонавантаження. Дійсні значення напружень у визначаються за узагальненим принципом Нейбера

. (11)

Для пошуку величини N_fk використано рівняння Поспішила

, (12)

де еквівалентну величину напруження у_{а лін.екв.} використано в цілях розповсюдження рівнянь на випадки несиметричного циклу навантаження, причому

. (13)

Для k-го циклу навантаження

. (14)

Тут параметри , встановлюються як максимальне та мінімальне значення напружень на початок кожного з розрахункових інтервалів k-го низькочастотного циклу, тобто коли

,

, (15)

а величини визначаються відповідно до моделі нестаціонарної релаксації, де для вхідного закону навантаження приймається еквівалентне напруження

. (16)

Значення коефіцієнту впливу асиметрії циклу встановлено на основі дійсних параметрів k-го циклу

(17)

; (18)

; , (19)

де дійсні величин напружень на початок кожного з розрахункових інтервалів наданого циклу визначаються з урахуванням процесів пластичності і повзучості. Перевірку достовірності моделі виконано на основі використання експериментальних даних НТУ “ХПІ” та МГТУ ім.Н.Е.Баумана.

Отримано залежності накопичення руйнуючих пошкоджень в зоні кромки КЗ від тривалості циклу термонавантаження поршня, що подано на рис.6,7.

Характерний закон навантаження кромки КЗ поршня зображено на рис.8, де крива 1 відповідає діючій температурі, крива 2 та 3 - відповідно вхідному закону зміни пружних та дійсних напружень, криві 4 і 5 - термонапруженому стану кромки через 50 годин навантаження відповідно без та з урахуванням миттєвих пластичних деформацій. Встановлено дві характерні зони півциклу навантаження поршня (відрізки 1 - () та () - 4), в яких має прояв процесу повзучості. Встановлено, що максимальній температурі циклу навантаження поршнів високофорсованих дизелів можуть відповідати напруження розтягу.

Показано, що відсутність врахування миттєвих пластичних деформацій матеріалу зменшує дійсне значення пошкоджень повзучості вдвоє, а відсутність врахування закидів термічних напружень є неприпустимою.

Встановлено, що зміна від циклу до циклу параметрів навантаження матеріалу викликає для кожного з наступних циклів отримання відмінних значень пошкоджень як повзучості, так і утоми. З цього приводу оцінку накопичення пошкоджень в зонах локальних екстремумів напруженості поршня слід проводити з урахуванням всіх циклів експлуатаційного низькочастотного навантаження деталі. Для кожного циклу треба враховувати ту його частину, де дійсні значення напружень перевищують поріг повзучості

. (20)

Четвертий розділ присвячено розгляду питань впровадження комплексу еквівалентних математичних моделей опису окремого експлуатаційного перехідного процесу о_i навантаження кромки КЗ поршня, оцінці можливого впливу послідовності чергування відомої множини експлуатаційних режимів роботи двигуна на накопичення руйнуючих пошкоджень, розробці методики ідентифікації множини теоретичних перехідних процесів роботи двигунів на основі моделей їх стаціонарного експлуатаційного навантаження, прогнозування тривалої міцності поршня в експлуатації.

Для аналізу окремого експлуатаційного перехідного процесу запропоновано комплексне застосування моделей нестаціонарного та стаціонарного термонавантаження, заснованих на використанні чисельних методів, та емпіричної аналітичної моделі, що передбачає прогнозування показника темпу прогріву особливо термонавантаженої зони деталі k і величини закидів термічних напружень Ду. Наприклад, для кромки відкритої КЗ поршня дизеля 4ЧН12/14 отримано

;

, (21)

де Дt - перепад температур в перехідному процесі навантаження;

Pd - критерій Предводителєва, .

Встановлено, що за характерний розмір поршня в розглянутому критерії слід приймати відстань між кромкою КЗ та периферійною зоною донця поршня. Еквівалентування останньої моделі здійснюється на основі вирішення квазістатичної нестаціонарної незв'язної задачі теплопровідності і термопружності, а встановлення значень k і Ду - на основі розрахунку початкового і кінцевого стаціонарних температурних полів перехідного процесу. Достовірність залежностей (21) перевірена для п'яти конструктивних варіантів поршнів дизеля 4ЧН12/14.

У сукупності з моделями вищих рівнів складності запропонована аналітична модель суттєво підвищує ефективність САПР, що надає реальну основу для виконання багатоваріантних порівняльних розрахунків тривалої міцності конкуруючих конструкцій з урахуванням множини експлуатаційних перехідних процесів навантаження двигуна О={ о₁, о₂,…,о_j }.

При розробці теоретичної моделі нестаціонарного навантаження двигуна О, яка визначає максимально можливе накопичення руйнуючих пошкоджень і дозволяє вирішувати задачі гарантованого забезпечення працездатності конструкцій на протязі заданого терміну експлуатації, враховано: множина теоретичних перехідних процесів формується на основі відомої моделі його стаціонарного експлуатаційного навантаження, тобто

=1, (22)

де P - встановлений технічним завданням плановий ресурс двигуна, а P_i - час роботи двигуна на режимі , ; тривалість окремих низькочастотних циклів встановлюється на основі даних щодо характерних технологічних процесів силового агрегату; кожен теоретичний перехідний процес визначається циклічним чергуванням таких стаціонарних режимів з можливої їх множини, які визначають максимальну амплітуду термонавантаження деталі; кожен теоретичний цикл низькочастотного навантаження деталі передбачає рівний розподіл часу між його напівциклами. Розрахунок нароботок для кожного з встановлених перехідних процесів визначається як

, ; (23)

, (24)

де величини та позначають частки роботи двигуна на режимах та , які складають процес , але не враховані в попередніх перехідних процесах. При цьому визначення множини найбільш важких експлуатаційних перехідних процесів роботи двигуна передбачає появу масиву термінів перехідних процесів та масиву усталених режимів експлуатації: +=1.

Врахування часу циклічної роботи, що позначено коефіцієнтом , дозволяє уточнити формулу щодо відносного ресурсу КЗ:

. (25)

Тут - абсолютний термін роботи деталі до досягнення граничного стану міцності;- кількість відмінних експлуатаційних перехідних процесів роботи двигуна згідно з моделлю його експлуатації; - кількість циклічних термомеханічних навантажень деталі при роботі двигуна за умов -го перехідного процесу.

На цій основі розроблено теоретичні моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигунів сільськогосподарських, дорожньо-будівельних та лісопромислових машин. Результати прогнозування тривалої міцності відкритої КЗ поршня дизеля 4ЧН12/14 подано в табл.1.

Виявлено вплив технологічного призначення двигуна, рівня його форсування, ряду конструктивних особливостей двигуна і поршня на рівень тривалої міцності останнього. Визначено, що тривала міцність конструкції поршня в залежності від технологічного призначення двигуна може відрізнятись до тридцяти разів і більше. Вагомо, що підвищення потужності з 25 до 30 кВт/л зменшує тривалу міцність поршня в 2,6 - 17 разів. Останнє означає, що при перспективному форсуванні дизелів урахування їх експлуатаційного навантаження є обов'язковим.

У п'ятому розділі розглянуто питання впровадження комплексу методик конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм.

Сформульовано умови термонавантаження ідеально найкращої конструкції поршня по відношенню до базової, що забезпечує підвищення тривалої міцності поршня. Ці умови складають модель нульового рівня складності - уявну модель оцінки термонапруженості конструкції. На цій основі уточнено шляхи підвищення тривалої міцності поршнів, отримано два патенти України на винаходи (№23566А, F02F 3/18; №23583А, F02F 3/18).

З метою звуження області пошуку оптимального рішення шляхом обмеження множини конкуруючих конструкцій поршнів використано суб'єктивну модель нечітких смислових відношень (перший рівень складності), яка базується на чисельній інформації щодо температурного стану поршня. Визначено місце, ефективність і роль таких моделей в процедурах оптимізації.

На основі використання функції бажаності Харрінгтона запропоновано нову модель чітких смислових відношень (другий рівень складності) для кількісного аналізу термонапруженості поршня:

; (26)

; (27)

; (28)

. (29)

Тут - критерій бажаності температури в зоні кромки КЗ; - теплоперепаду між зоною кромки і периферійною зоною вогневої поверхні донця поршня; - температури в зоні верхнього ПК. Вирази (27)-(28) відповідають умовам сільськогосподарської багатопрофільної експлуатації тракторного двигуна.

При розробці моделі використано дані щодо ресурсної нароботки поршня (модель четвертого, вищого рівня складності (25)). Це дозволяє скорочувати час проектування шляхом використання ефекту “навчання системи”, коли кількісні показники моделі другого рівня отримано на основі показників моделі вищого. Виконано конструктивну оптимізацію поршня з використанням конкуруючих конструкцій, розмірності векторів конструктивних параметрів яких не співпадають. Для поршня з Г-образним тепловодом (патент України № 23583 А) дизеля 4ЧН12/14 отримано рішення, що забезпечує тривалу міцність конструкції за умов сільськогосподарського використання двигуна при його форсуванні до 25 кВт/л.

Виконано чисельну оцінку та отримано дані щодо бажаності конструкцій поршнів в залежності від рівня форсування швидкохідних дизелів. Важливо, що запропонований підхід дозволяє відмовитись від використання на початкових стадіях проектування поршня орієнтації на статистичні рекомендації та якісно перевершити зразки-аналоги з мінімальними витратами на проектування.

Модель оцінки теплонапруженості третього рівня складності передбачає проведення розрахунків лише за одним, найбільш важким експлуатаційним режимом навантаження двигуна та без урахування високочастотної складової навантажень. Для поршнів дизелів сільськогосподарського призначення це скорочує час виконання обчислень практично в 15 разів. Показано припустимість виконання такої кількісної оцінки якості конструкції поршня.

Розроблено загальну схему конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм, яка передбачає використання набору з п'яти розглянутих моделей аналізу його теплонапруженості. Підвищення якості проектування та скорочення терміну проектних робіт досягається завдяки поданій методології, де попередній аналіз конструкцій здійснюється з використанням моделей нижчих рівнів складності, а звертання до уточнених методик - після звуження області пошуку рішень. Розглянуті в розділі приклади складають повний цикл проходження проекту в блоці оптимізації.

ВИСНОВКИ

Результатом виконання дисертаційної роботи є розв'язання крупної науково-технічної проблеми, яка надає якісно нові можливості використання методів і засобів САПР в процесі багатоваріантного проектування поршнів перспективних швидкохідних дизелів, а саме: забезпечення заданого рівня тривалої міцності конструкції на початкових стадіях проектування високофорсованих двигунів, їх модернізації. Запропонований комплекс методик і програм дозволяє на обґрунтованій науковій основі практично реалізувати сучасні методи віртуального проектування, підвищити якість моторної техніки з урахуванням концепції розподілу ринку дизелів за експлуатаційним призначенням.

Проведене дисертаційне дослідження дозволило отримати наступні нові важливі наукові і практичні результати:

1. Сформульовано положення системного підходу щодо забезпечення ефективності інтегрованої САПР ДВЗ з урахуванням концепції сегментації ринку на основі особливостей технологічного призначення двигунів. Подано узагальнену схему проходження проекту в інтегрованій системі та схему багатоетапної САПР КЗ поршня. З урахуванням останньої сформульовано комплекс вимог до забезпечення в САПР заданого рівня тривалої міцності конструкції. Виконане в роботі подальше дослідження повністю відповідає забезпеченню сформульованих вимог.

2. Вперше виконано структурну типізацію конструкцій поршнів швидкохідних дизелів та отримано типову логічну формулу для математичного опису геометрії їх конкуруючих конструкцій. При застосуванні поданої формули в САПР математичний образ поршня є повністю визначеним, що надає можливість автоматизованого багатоваріантного його використання в підсистемах функціонального аналізу конструкцій.

3. Розроблено основні елементи підсистем автоматизованого синтезу нарисно-графічної та конструкторської документації деталей КЗ. Подані програми призначені для автоматичної будови геометрії КЗ, поршня, складання креслень і об'ємних зображень інших деталей КЗ, що є основою розробки підсистем генерації конструкторської документації в ДВЗ.

4. Уточнено умови забезпечення достовірного прогнозування температурного стану конструкції поршня. Вони стосуються необхідних і достатніх законів апроксимації ГУ на ділянках теплопідводу та припустимих похибок завдання останніх по усім поверхням поршня.

5. Для прогнозування температурного стану конструкції поршня на експлуатаційних режимах роботи швидкохідних дизелів запропоновано нову емпіричну модель ГУ 3-го роду та методику її ідентифікації з метою підвищення достовірності результатів. Розглянуто п'ять типів КЗ для поршнів шести типорозмірів двигунів. Оцінено похибки прогнозування температурного стану конструкції, що не перевищують 5-6%.

6. На основі використання регіонального та регіонально-структурного методів, типової логічної формули математичного опису геометрії поршня, моделі ГУ 3-го роду та методик еквівалентування задачі наданого рівня складності розроблено ефективний програмний комплекс, призначений для експрес-прогнозування термонапруженого стану множини конкуруючих конструкцій поршнів швидкохідних дизелів на початкових стадіях їх проектування в САПР.

Основною перевагою комплексу є можливість оперативного виконання багатоваріантних розрахунків при довільній зміні типових ГУ. Використання комплексу дозволило виконати в роботі понад 350 чисельних експериментів, здійснити їх теоретичні узагальнення, що базуються на варіантних розрахунках.

7. Для діапазону робочих температур поршнів швидкохідних дизелів встановлено поріг циклічної повзучості поршневого сплаву АЛ25, що обумовило вибір моделі пружно-пластичного деформування матеріалу в особливо термонавантаженій зоні поршня. Згідно до неї при циклічному термонавантаженні конструкції процес повзучості є незатухаючим, а темп накопичення пошкоджень залежить від тривалості циклу термонавантаження та особливості зміцнення матеріалу при повзучості.

8. Запропоновано і розповсюджено використання енергетичного критерію міцності при повзучості на прогнозування величин руйнуючих пошкоджень матеріалу поршня з урахуванням перехідних процесів навантаження двигуна та зміни знаку навантаження матеріалу, що забезпечує достовірність розрахункових результатів.

9. Встановлено дві характерні зони півциклу термонавантаження поршня, в яких має прояв процесу повзучості. Вперше встановлено, що внаслідок особливостей комплексу фізичних процесів, що розглядаються, напруження розтягу в особливо термонавантаженій зоні поршня можуть мати місце не тільки після скидання навантаження, а і на важкому усталеному режимі роботи двигуна. Ці дані є основою уточнення рекомендацій для забезпечення тривалої міцності конструкції поршня.

10. На основі поданих нових уявлень щодо накопичення руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантаженій зоні поршня удосконалено методику прогнозування його тривалої міцності.

...