Введение к работе
Актуальность исследования. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на перспективу до 2000 года" поставлены задачи дальнейшего ускоренного развития отечественного дизелестроения, повышения качества, надєяности и экономичности машин. Современное днзе-лестроение характеризуется тенденцией постоянного форсирования двигателей внутреннего сгорания, ростом их напряженности, снижением металлоемкости. Одним из путей повышения надежности и долговечности ДВС является совершенствование методик расчета прочности, что дает возможность на стадии проектирования двигателя, а также при его модернизации, получать достоверные оценки функциональных свойстз объекта, обоснованно подходить к проблеме выбора конструктивных и технологических решений.
Современные требования к прочности и металлоемкости узлов и деталей дизелей побулдают все более глубоко исследовать особенности их напрязешс—деформированного состояния (НДС), полнее учитывать многообразие влиявших факторов.
В процессе работы двигателя кривошипная головка шатуна подвергается воздействия существенных знакопеременных нагрузок. Рост напряженности подшипникового узла кривошипной головки шатунов высокооборотных дизелей (ВОД) обусловливает необходимость его дальнейшего совершенствования. Значительная доля отказов ВОД приходится на потери функциональных свойств игя разрушение деталей этого узла, что зачастую приводит к выходу из строя всего двигателя.
Подшипниковый узел кривошипной головки шатуна представляет собой предварительно напряженнуп систему взаимодействующих между собой деталей. Затяг шатунных болтов должен обеспечивать силовую замкнутость узла во время работы двигателя. Однако в действительности имеет место относ отельные микропе-ремешення контактирующих поверхностей деталей системы подшипника, что приводит х их износу.
Работоспособность подшипникового узла кривошипной головки шатуна определяется совокупность!) конструкторскс—техноло-гических решений по выбору материалов и геометрии его деталей, уровня затяга шатунных болтов, натяга вкладыша и т.д. Достоверное определение расчетным путем НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна является однім из путей повышения качества проектирования и модернизации двигателя, сокращения
времени и затрат на его опытную доводку. При этом необходимая точность расчетной методики может быть достигнута лишь на основе моделирования контактного взаимодействия всех деталей системы подшипника.
Таким образом, настоящая работа .направлена на повышение надежности и долговечности двигателей, а потому является актуальной.
Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы состоит в создании методики расчета трехмерного НДС системы под шипникового узла кривошипной головки шатуна ВОД с учетом контактного взаимодействия деталей для повышения работоспособное ти этого узла. Для достижения этой цели решен ряд задач.
-
Разработка специального контактного конечного элемента (ККЭ) для решения пространственных контактных задач, включая задачи с предварительным натягом.
-
Разработка эффективных алгоритма и 'программы решения трехмерной контактной задачи с известной зоной' контакта. Их апробирование на решении тестовых задач.
-
Анализ сил, действующих на систему подшипника кривошипной головки шатуна. Разработка аналитических зависимостей, аппроксимирующих индикаторную диагрелиу.
-
Разработка расчетной схемы системы подшипника кривошипной головки шатуна ВОД.
-
Проведение экспериментального исследования НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна. Сопоставление результатов эксперимента и расчета.
-
Численное исследование НДС подшипникового узла кривошипной головки шатуна ВОД. Разработка и обоснование критериев его работоспособности. Исследование эффективности мероприятий способствующих повышению работоспособности узла.
Методика исследования. Численные расчеты посадки вкладыша и исследование НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна выполнены в трехмерной квазистатической постановке на базе МКЭ. При аппроксимации индикаторной диаграммы ДВС использованы математические методы приближенного описания соответствующих зависимостей.
Научная новизна исследования заключается в следующих раг работках, которые защищаются автором:
-
Аналитические зависимости, аппроксимирующие индикаторную диаграмму ДВС различных типов.
-
Способ численного решения пространственной контактное задачи с известной зоной контакта на основе разработанногс изопараметрического контактного КЭ, позволяющего моделироваті нелинейные свойства шероховатостей деталей и учитывать воз-
ыожные условия контактирования.
-
Алгоритмы перенумерации КЭ для уменьшения ширины фронта, позволящие повысить эффективность применения расчетных программ МКЭ (в том числе для контактных задач).
-
Методика расчета НДС системы подшипника кривошипной головки шатуна, которая позволяет моделировать совместную работу всех деталей узла, а также учитывать предварительное НДС от затяга шатунных болтов и натяга вкладыша.
-
Критерии работоспособности подшипникового узла кривошипной головки шатуна.
Достоверность результатов исследования обосновывается использованием весьма совершенного и неоднократно проверенного при анализе НДС различных конструкций метода конечных элементов, численным решением тестовых аналитических задач и сопоставлением расчетных и экспериментальных данных о НДС деталей кривошипной головки шатуна ВОД.
Практическая ценность. Разработанные методика и ее программное обеспечение могут быть использованы в научно-исследовательских и проектнс-конструкторских организациях машиностроительной и судостроительной промышленности в процессе проектирования, доводки и модернизации ДВС для расчета НДС кривошипной головки шатунов, а также других предварительно напряженных подшипниковых узлов. Алгоритм и программа численного решения контактной задачи носят универсальный характер и могут применяться для анализа условий контактирования деталей в любых конструкциях.
Реализация работы. Разработанная методика расчета используется в ЦНИДИ. Программное обеспечение методики, реализованное на базе ЭВМ серии ВС, включено в библиотеки программ ЦНИДИ, ЛКИ и Комсомольского-на-Амуре политехнического института. Отдельные программные модули используются на Клайпед-ском факультете КПИ и во ВНИПИтранспрогресс (г.Брянск). Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на X Дальневосточной научно-технической конференции "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций" (г.Владивосток, 1987); на научно-технической конференции "Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций" (г.Горький, 1988) и на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛКИ (г.Ленинград, 1988, 1990).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано
шесть статей.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, выводов и приложений; содержит 141 страницу машинописного текста, 91 рисунок, 5 таблиц и список использованной литературы.