НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

Пильов Володимир Олександрович

УДК 621.436.001-52

НАУКОВІ ОСНОВИ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТРИВАЛОЇ

МІЦНОСТІ ПОРШНІВ ШВИДКОХІДНИХ ДИЗЕЛІВ

ПРИ ВИКОРИСТАННІ САПР

Спеціальність 05.05.03 – Теплові двигуни

Автореферат на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

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 конструктор-ське бюро з
двигунобудування”, м. Харків, генеральний конструктор;

доктор технічних наук, професор

Заренбін Володимир Георгійович,

Придніпровська державна академія будів-ниц-тва 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

Актуальність теми

Світові тенденції розвитку двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), темпи їх проникнення на ринки збуту та досвід розробки свід-чать, що поряд із суттєвим підвищенням вимог до техніко-економічних показни-ків 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 вар-тості проектів постійно вступають у протиріччя з існуючими методами проек-ту-вання. 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 до-сягається 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 різноманіт-ного призначення свідчить, що перспективне їх форсування є вкрай несприятли-вим фактором, який визначає працездатність конструкції. Водночас важливо, що коли певна конструкція не задовольняє вимогам експлуатаційної міцності, то во-на, 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 модерні-зації.

Експериментально встановлено і теоретично показано, що рівень тривалої міцності поршня залежить від форми КЗ і конструкції поршня в цілому, особли-востей підведення і відведення теплоти на його границях, суттєво нелінійної за-лежності 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 ви-значається наявністю перехідних процесів аперіодичного навантаження дизеля; багатоциклова термомеханічна утома, що обумовлена високочастотною періоди-чною зміною значень параметрів робочого тіла в циліндрі двигуна; процес повзу-чості матеріалу в діапазоні робочих температур і термічних напружень поршнів; релаксація термо-пружних 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 рів-ні форсування двигунів, розроблено рекомендації з їх конструктивного вико-нання. Водночас у вітчизняній і світовій літературі відмічається, що при пер-спективних рівнях форсування дизелів виникають суттєві труднощі щодо забезпечення за-даного ресурсу конструкцій. При цьому в загальному випадку множина конкуру-ючих 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 проектуван-ня.

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

У зв’язку з вищесказаним, актуальність дисертаційної роботи полягає в роз-робці комплексу науково обґрунтованих методик, що дозволяють забезпечити за-даний рівень експлуатаційної тривалої міцності поршнів перспективних швидко-хідних дизелів з використанням методів і засобів САПР.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Обраний напрям дисертаційного дослідження відповідає Державній про-грамі розвитку двигунобудування України на 1996-2000 р.р., конкурсним проек-там Міністерства освіти і науки України “Проведення фундамен-тальних досліджень і розробка фізико-хімічних основ покращення до світового рівня експлуатаційних показників перспективних автомобільних двигунів україн-ського 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 №0100?001655), роботи з яких виконувались в проблем-ній науко-во-дослідній лабораторії перспективних двигунів внутрішнього згоряння кафедри ДВЗ НТУ “ХПІ”.

Мета і задачі дослідження

Метою дисертаційної роботи є розробка науко-вих основ та на цих засадах комплексу методик, що дозволяють забезпечити зада-ний рівень тривалої міцності особливо термонавантажених зон поршнів форсова-них 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 призна-ченням.

Методи дослідження – визначення теплонапруженого стану пор-шня шля-хом 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 пов-зучості на основі енергетичного критерію міцності; прогнозування малоциклової утоми матеріалу поршня за методикою, що базується на використанні узагальне-ного принципу Нейбера та рівняння Поспішила; оцінка тривалої міцності кромки КЗ поршня за розрахунково-експериментальним методом з урахуванням комплек-сного впливу процесів утоми, миттєвих пластичних деформацій, деформацій цик-лічної повзучості, зміцнення матеріалу в умовах дії повзучості та релаксації термічних напружень на процес накопичення руй-нуючих 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 широко-му 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 ци-клічності навантаження дизелів і зміни характеристик повзучості в процесі екс-плуатаційного навантаження поршня.

4. Розробка теоретичних моделей нестаціонарного навантаження швидкохі-дних дизелів різного експлуатаційного призначення.

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

6. Розробка комплексу ресурсних критеріїв різних рівнів складності та ме-тодології конструктивної оптимізації поршня з використанням набору цих крите-ріїв.

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

Проблема проектування поршня швидкохідного дизеля в такій постановці вирішується впер-ше.

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 температур-ного 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 три-валої 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 мате-ріалу 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 моде-лювання 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 де-талі КЗ. Оцінено вплив форми КЗ поршнів, рівня форсування та особливостей технологічного призначення двигунів на тривалу міцність КЗ поршнів швидкохід-них 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 проектуван-ня КЗ поршня швидкохідного дизеля та методологію проходження проекту в САПР.

2. Виконано структурну типізацію конструкцій поршнів швидкохідних ди-зелів 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 конкурую-чих 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. За-пропоновано моделі експлуатації двигунів сільськогосподарського, дорожньо-будівельного, лісопромислового призначення. Визначено ресурс поршнів при перспективному рівні форсу-вання двигунів розглянутого експлуатаційного призначення.

8. Подано п’ять еквівалентних моделей оцінки термічної напруженості по-р-шня різних рівнів складності. На цій основі запропоновано методологію конс-труктивної оптимізації поршня швидкохідного дизеля за ресурсним критерієм.

9. Запропоновано нові конструктивні варіанти поршнів швидкохідних ди-зелів. 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 досяг-нення заданого рівня тривалої міцності конструкції.

Результати наукового дослідження впроваджені в Головному спеціалізова-ному конструкторському бюро по двигунам середньої потужності (номера регіст-рації 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 структур-ним 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 цикліч-ної повзучості на процес накопичення руйнуючих пошкоджень з використанням моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигуна певного техно-логічного 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 ефе-ктивного використання;–

отримано типові логічні формули для математичного опису моделі по-ршня 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 теплопровідно-сті 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 напру-жень в умовах стиску і розтягу;–

встановлено дві характерні зони прояву процесу повзучості в циклі низь-кочастотного навантаження поршня;–

запропоновано уточнення методики розрахунку величин руйнуючих по-шкоджень 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 тех-нологічного 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 аг-ротехнічній 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, виснов-ків, чотирьох додатків. Пов-ний 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 ак-туальність 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 харак-теристик; 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,…,fn); X– множина можливих варіантів конкуруючих конструкцій деталі; Ek– декартовий простір розмірності k; x – вектор конструктивних параметрів деталі, x=(x1, x2,…,xm); Ш – ?ножина можливих експлуатаційних режимів роботи двигуна; ? – модель експлуатації двигуна певного призначення, ?=о1, о2,…,оj }; оi, i=1,2,…,j – представницькі режими роботи двигуна у вибраній моделі експлуатації; ?x – множина відповідних до f математичних моделей функціонування двигуна,
?x =м1, м2,…, мj }.

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

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 типово-го математичного образу поршня швидкохідного дизеля (початкова задача ство-рення САПР КЗ); прогнозування температурного стану поршня на довільному ре-жимі роботи двигуна (центральна задача з точки зору поєднання математичних моделей мx за впливом температури стінок КЗ на значення комплексу критеріїв ефективності f ); визначення тривалої міцності особливо термонаванта-жених зон поршня з урахуванням моделі експлуатації двигуна певного технологічного призна-чення (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 конструк-тивних 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 впро-вадження набору розрахункових еквівалентних моделей різних рівнів складності та авто-матизація виконання всіх етапів робіт, що визначає досконалість програмного за-безпечення в цілому.

Задовільнення перерахованих вимог розглядається в світлі конкретизації сис-темного підходу до автоматизованого багатоваріантного аналізу та конструктив-ної 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 ?i,j – елементарні підобласті, що утворюють шукану область ?i; – набір аналітичних функцій, які дозволяють окреслити область ?i.

Відповідно до рис.1б цей образ має вигляд:

. (3)

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

. (4)

Кожну із складових (4) побудовано з використанням елемен-тарних підобластей Щ1,1,j, Щ1,2,j, Щ1,3,j. Наведено методику розробки логічних формул окремих підо-бластей.

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

Виконаний комплекс робіт дозволяє ставити завдання щодо автоматизова-ного проектування поршнів із заданим рівнем тривалої міцності.

У другому розділі розглянуто питання математичного моделювання термонапруженого стану поршнів в експлуатаційному діапазоні навантаження швидко-хідних дизелів. Для розв’язання задачі в САПР розглянуто формулювання об’ємних і вісесиметричних задач нестаціонарної і стаціонарної теорії поля. З ме-тою підвищення ефективності прогнозування термонапруженого стану конструк-ції 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, Фi – елементи деякої множини M, невизначені компоненти розв’язку; B – оператор; ?, щi – аналітичний опис області ? та її підобластей (ділянок границі) ?i; б(щi, Nл), Tср(щi, Nл) – локальні ГУ 3-го роду; ?0 – відома функція.

Кожній невизначеній компоненті Фi,

, (7)

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

На основі використання методу R-функцій та системи “ПОЛЕ” (ІПМаш НАН України) розроблено ефективний програмний комплекс, призна-чений для оперативного виконання багатоваріантного аналізу конкуруючих конс-трукцій поршнів типового вигляду (3) при довільній зміні типових локальних ГУ, геометричних параметрів і фізичних влас-тивостей області ? та її регіонів. Виконані чисельні експерименти дозволили уточнити умови забезпечення достовірного прогнозування температурного стану поршня швидкохідного дизеля. Локальність завдання ? 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. Темпе-ратурний 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 по-рівняння розрахункових еквівалентних напружень уe та значення критерія Смирнова-Аляєва ?у як характеристик навантаження,

,

де у1, у2, у3 – головні нормальні напруження.

Результати пошуку ступеня по-лінома m в (7) подано на рис.3.

Третій розділ присвячено дослідженню механізму пружно-пластичного де-формування матеріалу в особливо термонавантаженій зоні КЗ поршня та удоско-наленню 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 мо-дель 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 ds і утоми df. 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 міцнос-ті. Для поршневого сплаву АЛ25 встановлено припустимість лінійного підсумо-вування 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, циклі-чної повзучості і порогу циклічної повзучості, зміцнення матеріалу в процесі пов-зучості, релаксації термічних напружень, утоми, і, нарешті, сумісної дії перера-хованих факторів. Граничний стан матеріалу за умов неізотермічного низькочастотного наван-таження деталі запропоновано описувати рівнянням

. (8)

Тут Nfk – 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 Nfk використано рівняння Поспішила

, (12)

де еквівалентну величину напруження уа 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 експери-ментальних даних НТУ “ХПІ” та МГТУ ім.Н.Е.Ба-у-мана.

Отримано залеж-ності 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 че-рез 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. Встанов-лено, 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 напру-жень 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 екст-ремумів 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 повзу-чості

. (20)

Четвертий розділ присвячено розгляду питань впровадження комплексу ек-вівалентних математичних моделей опису окремого експлуатаційного перехідного процесу оi навантаження кромки КЗ поршня, оцінці можливого впливу послі-довності 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 експлуа-таційного 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 ?у. ?априклад, для кромки відкритої КЗ поршня дизеля 4ЧН12/14 отримано

;

, (21)

де ?t – 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 ?у – ?а 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,…,оj }.

При розробці теоретичної моделі нестаціонарного навантаження двигуна О, яка визначає максимально можливе накопичення руйнуючих пошкоджень і до-зволяє вирішувати задачі гарантованого забезпечення працездатності конструкцій на протязі заданого терміну експлуатації, враховано: множина теоретич-них перехідних процесів формується на основі відомої моделі йо-го стаціонарного експлуатаційного навантаження, тобто

=1, (22)

де P – встановлений технічним завданням плановий ресурс двигуна, а Pi – час роботи двигуна на режимі , ; тривалість окремих низькочастотних циклів встановлюється на основі даних щодо характерних технологічних процесів сило-вого агрегату; кожен теоретичний перехідний процес визначається циклічним чергуванням таких стаціонарних режимів з можливої їх множини, які визначають максимальну амплітуду термонавантаження деталі; кожен теоретичний цикл ни-зькочастотного 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 про-цесів роботи двигуна передбачає появу масиву термінів перехідних процесів та масиву усталених режимів експлуатації: +=1.

Врахування часу циклічної роботи, що по-значено коефіцієнтом , дозволяє уточнити формулу щодо відносного ресурсу КЗ:

. (25)

Тут – абсолютний термін роботи деталі до досягнення граничного стану міц-ності;– кількість відмінних експлуатаційних перехід-них процесів роботи двигуна згідно з моделлю його експлуатації; – кількість ци-клічних термомеханічних навантажень деталі при роботі двигуна за умов -го пе-рехідного процесу.

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

Виявлено вплив технологічного призначення двигуна, рівня його форсу-вання, ряду конструктивних особливостей двигуна і поршня на рівень тривалої міцності останнього. Визначено, що тривала міцність конструкції поршня в зале-жності 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 перспек-тивному 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 винахо-ди (№23566А, F02F 3/18; №23583А, F02F 3/18).

З метою звуження області пошуку оптимального рішення шляхом обмежен-ня множини конкуруючих конструкцій поршнів використано суб’єктивну модель нечітких смислових відношень (перший рівень складності), яка базується на чисе-льній інформації щодо температурного стану поршня. Визначено місце, ефектив-ність 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 по-ршня; – 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 сільськогосподарсь-кого 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 (рис. 9). 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 ре-жимом 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 (рис.10), яка передбачає використання набору з п’яти розглянутих моделей аналізу його теплонапруженос-ті. Підвищення якості проектування та скорочення терміну проектних робіт досягається завдяки поданій методології, де попередній аналіз конструкцій здійснюється з використанням мо-делей нижчих рівнів складності, а звертання до уточнених методик – після зву-ження 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 обґрунто-ваній науковій основі практично реалізувати сучасні методи віртуального проек-тування, підвищити якість моторної техніки з урахуванням концепції розподілу ринку дизелів за експлуатаційним призначенням.

Проведене дисертаційне дослідження дозволило отримати наступні нові ва-жливі наукові і практичні результати:

1. Сформульовано положення системного підходу щодо забезпечення ефек-тивності 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 сфо-р-му-льо-ва-них вимог.

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

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

4. Уточнено умови забезпечення достовірного прогнозування температур-ного 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 достовірно-сті 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 мето-дів, типової логічної формули математичного опису геометрії поршня, моделі ГУ 3-го роду та методик еквівалентування задачі наданого рівня складності розроб-лено ефективний програмний комплекс, призначений для експрес-прогнозування термонапруженого стану множини конкуруючих конструкцій поршнів швидкохі-д-них дизелів на початкових стадіях їх проектування в САПР.

Основною перевагою комплексу є можливість оперативного виконання ба-гатоваріантних розрахунків при довільній зміні типових ГУ. Використання комплексу дозволило виконати в роботі понад 350 чисельних експериментів, здійснити їх теоретичні