Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Надёжность транспортного двигателя во многом определяется работой его базовой корпусной детали - блока цилиндров. До последнего времени основным способом исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) и доводки конструкции блоков являлся эксперимент. Однако в настоящее время одно из важнейших значений принимает не только достоверность результатов исследований, но и время и стоимость их получения. Поэтому широкое распространение получают расчётные методы анализа. Одним из требований, предъявляемым к последним, является достоверность результатов, которая обеспечивается применением корректных физических моделей. Ранние исследования НДС остовов автомобильных двигателей не учитывали контактного взаимодействия сопрягаемых неподвижных и подвижных деталей, а потому достоверность получаемых результатов обеспечивалась не всегда. Кроме того, значительное число конечно-элементных моделей (КЭМ), применяемых различными исследователями, были созданы с помощью стержневых, либо пластинчатых конечных элементов (КЭ). Практически не проводились расчётные эксперименты на 3-мерных моделях, использующих объёмные изо параметрические КЭ. Выполнение КЭМ практически с любой степенью дискретности возможно при использовании CAD/CAE-технологии1. Создание единой методики расчётного исследования по методу конечных элементов (МКЭ) НДС блоков цилиндров (с учётом совместной работы присоединённых узлов и агрегатов) двигателей на основе CAD/CAE является одной из важнейших задач при проектировании новых и совершенствовании существующих конструкций двигателей.
1 CAD - автоматизированное проектирование; САЕ - автоматизированный анализ конструкций
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы состоит в повышении достоверности и оперативности численного исследования 3-мерного НДС блоков цилиндров дизельных двигателей при моделировании контактного взаимодействия системы "блок цилиндров - коленчатый вал". Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
оперативная CAD-разработка 3-мерных твёрдотельных моделей остова и на их основе КЭМ с наиболее высокой степенью дискретности;
анализ локальных полей напряжений и деформаций блока цилиндров;
разработка способа описания контакта в сопряжении "блок цилиндров - коленчатый вал";
разработка способа описания граничных условий.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ. Основными методами и средствами, применяемыми в диссертационной работе, являются: теория упругости, теория контактного взаимодействия, МКЭ, 3-мерное моделирование, профессиональное программное обеспечение Pro/ENGTNE-ER, SolidWorks (создание твёрдотельных моделей), GIFTS, DesignSpace, Ansys (КЭ-анализ).
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ обеспечивается применением программного обеспечения, сертифицированного в соответствии со стандартами ISO 9000, и подтверждается совпадением расчётных и экспериментальных данных, полученных при тензометрирова-нии блоков цилиндров дизельных двигателей 6 ЧН 13/14 (ЯМЗ-236Н) и 4 Ч 10,2/12,2 (ЯМЗ-534).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:
создание объёмных моделей блоков цилиндров с высокой степенью дискретности КЭМ;
разработка научно обоснованной методики расчётного исследования 3-мерного НДС блока цилиндров при моделировании его контактного взаимодействия с коленчатым валом;
сопоставительный анализ результатов эксперимента и расчёта только блока цилиндров; блока цилиндров и коленчатого вала при жёсткой установке последнего; блокад цилиндров и коленчатого вала с учётом их контактного взаимодействия;
выработка теоретических положений по описанию контактного взаимодействия блока цилиндров с коленчатым валом;
разработка способа описания силовых и кинематических граничных условий;
анализ предпочтительности использования CAD/CAE-программных средств, применяемых для создания математических моделей элементов тепловых двигателей и проведения КЭ-расчётов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Созданные математические модели используются в КБ двигателестроитель-ных предприятий на этапах проектирования, модернизации и доводки двигателей. Разработанные модели могут быть использованы для оценки НДС картеров двигателей, а также других целей: определения виброакустических характеристик блоков цилиндров, решения оптимизационных задач и т.д.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты выполненного исследования использованы на этапе проектировании и доводки дизеля 4 Ч 10,2/12,2, что позволило сократить сроки проектных работ и материальные затраты, уменьшить объём натурных экспериментов. Реализованы расчёты, позволяющие проводить сопоставление вариантов конструкций блоков.
Созданное в процессе подготовки исходных данных для расчётов программное обеспечение используется в учебном процессе кафедры ДВС ЯГТУ при подготовке инженеров-механиков по специальности «Двигатели внутреннего сгорания».
Использование результатов работы подтверждено соответствующими документами.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации доложены автором и обсуждены на: XXIII научно-технической конференции "Гагаринские чтения" (Москва, МАТИ, 1997 г.); научно-технической конференции "Актуальные проблемы гуманитарных, естественных и технических наук" (Ярославль, ЯГТУ, 1997 г.); конференции аспирантов и студентов ЯГТУ (Ярославль, ЯГТУ, 1998 г.); научно-технических семинарах кафедры ДВС ЯГТУ (Ярославль, ЯГТУ, 1998-2000 гг.); Шестой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов МЭИ «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, МЭИ, 2000 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации имеется четыре публикации.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и семи приложений, содержит 220 страниц машинописного текста, ПО рисунков и 42 таблицы, включает оглавление, список сокращений и условных обозначений и список использованной литературы (106 наименований).