Расчет элементов кривошипно-шатунного механизма

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

" Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва"

(национальный исследовательский университет) Факультет Двигатели летательных аппаратов Кафедра конструкции проектирования двигателей летательных аппаратов Курсовая работа по курсу

" Спецглавы механики материалов и машин"

РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КШМ Студенты: Конев Б.М.

Понамарёв А.А.

Шумский А.О.

Преподаватель: Уланов А.М.

Самара 2013

Задание

Произвести полный прочностной расчёт элементов КШМ двигателя. Написать файл-программу. Расчёт каждой части повторить 2 раза для грубой и более точной сетки конечных элементов.

Реферат

Курсовая работа ____ с, 17 рисунков, 8 таблиц, 3 источника

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ, КОНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ГАЗОВАЯ СИЛА, КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ КОМПЛЕКС, НАПРЯЖЕНИЯ.

В курсовой работе было проведено прочностное проектирование поршня двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации поршня по параметрам «коэффициент запаса — масса». Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у поршня конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.

Далее было проведено прочностное проектирование шатуна двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации шатуна по параметрам «коэффициент запаса — масса». Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у шатуна конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.

• Задание
• Реферат
• Введение
• 1. Расчёт неравномерно нагретого поршня ДВС, находящегося в упругопластическом состоянии
• 1.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
• 1.2 Формирование геометрической модели поршня
• 1.3 Задание материала
• 1.4 Формирование конечно-элементной модели
• 1.5 Формирование нагрузок и граничных условий
• 1.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
• 2. Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания
• 2.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
• 2.3 Задание материала
• 2.4 Формирование конечно-элементной модели
• 2.5 Формирование нагрузок и граничных условий
• 2.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
• Заключение
• Список использованных источников

Настоящий этап развития ДВС характеризуется высокими темпами роста их удельных показателей, например, литровой мощности, что приводит к существенному возрастанию тепловой и механической нагруженности деталей КШМ (поршень, палец, шатун и т. д.). Теплонапряженные детали двигателя имеют, как правило, сложную геометрическую форму, а их отдельные элементы находятся в тепловом, силовом и кинематическом взаимодействии. При проектировании, расчете и доводке двигателя необходим более полный и точный учет всех величин, определяющих надежность и ресурс.

На неустановившихся режимах, характерных для эксплуатации большинства современных двигателей, напряженность поршня меняется во времени, что приводит к появлению усталостных трещин и разрушению. Это обстоятельство вызывает необходимость уточнения существующих методик расчета прочности и также разработки новых методик.

поршень шатун двигатель проектирование

1. Расчёт неравномерно нагретого поршня ДВС, находящегося в упругопластическом состоянии

1.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели

Выполним учебный расчет, взяв сечение поршня, представленное на рисунке ниже.

Рисунок 1 — Линии для построения радиального сечения поршня

Для данного поршня выбраны параметры — толщины, радиусы изменения толщин и радиусы скруглений. Их численные значения сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Параметризированные размеры поршня и бобышки

Таблица 2 — Геометрические размеры поршня

Таблица 3 — Геометрические размеры бобышки поршня

1.2 Формирование геометрической модели поршня

Итак, есть координаты точек. В рабочем каталоге ANSYS создается текстовый файл «00-piston. txt». Первой строкой в нем записывается команда очистки задания ANSYS от предыдущей информации.

Продолжается формирование своего файла. Добавляются команды создания точек сечения. Они, соответственно, имеют вид — K, №точки, X, Y, Z. Таким образом, строим все 30 точек сечения.

Затем точки последовательно соединяются линиями 1−2, 2−3, 3−4, 4−5, 5−6, 6−7, 7−8 и т. п., создаются скругления командой «LFILLT». Далее создается область по линиям.

Рисунок 2 — Радиальное сечение поршня

Затем создадим объем путем вращения полученной поверхности вокруг оси Y. Угол поворота: 180⁰.

Принцип построения бобышки поршня аналогичен: Точки создаются командой, либо прописыванием команд в лог-файл. К сожалению, неизвестная особенность программы не позволила построить точную модель поршня (с бобышкой, силовой плоскостью и конструктивным вырезом), поэтому в данной работе рассматривается и рассчитывается модель поршня, лишь отдалённо напоминающая реальную деталь.

Для сокращения времени расчёта вместо половины поршня оставим четверть. В результате получим:

Рисунок 3 — Полученная конечная модель поршня

1.3 Задание материала

Для задания материала необходимо задать зависимости коэффициентов упругости и коэффициент теплопроводности материала при различных температурах:

Таблица 4 — Свойства материала

В окне ALPX задается коэффициент теплопроводности материала при данной температуре:

Команды Ansys из Log-файла сохраняются в своем командном файле.

1.4 Формирование конечно-элементной модели

Задается тип конечного элемента (SOLID187) и размер конечного элемента — 0,002. Далее в меню тело разбивается свободной сеткой.

Рисунок 4 — Полученная сетка конечных элементов

1.5 Формирование нагрузок и граничных условий

Приложим к днищу поршня газовую силу. В качестве значения силы вписывается заданный параметр Fg

Производится нагружение диска температурой в зависимости от расстояния до днища поршня с помощью команд APDL и цикла «DO-ENDDO». В реальности распределение температур по длине поршня имеет характер параболы. Именно такой закон необходимо задавать. Ниже, в качестве примера, производится нагружение по линейному закону.

При линейном законе распределения температура в любой точке диска равна сумме постоянной составляющей (200 градусов) плюс координата по оси Y, умноженная на тангенс угла альфа. Одним катетом является разница температур, а другим — разница координат, Получаем:

Для реализации нагружения в Ansys, согласно этому уравнению, следует воспользоваться циклом DO-ENDDO.

*get, n_count, node, 0, count

tan= (Tmax-Tmin) /0.061

*do, i, 1, n_count

BF, i, TEMP, Tmin+Ny (i) *tan

*end do

Рисунок 5 — Поля температур на поршне

Для правильного решения данной модели необходимо задать условие симметрии относительно плоскостей Y-Z и Y-X. Необходимо выбрать две поверхности модели поршня.

Закрепление бобышки поршня в верхней части отверстия под палец по 120 градусному сектору по направлениям Х и Y. Сразу по двум осям закрепить не удастся, поэтому операцию повторяем дважды.

1.6 Расчет напряженно-деформированного состояния

Производится решение и визуализация результатов. Так же проводится исследование влияния геометрических размеров поршня на его внутренние напряжения и деформации, возникающие при его работе при заданной нагрузке. Результаты исследования приведены в таблице 5:

Таблица 5 — Результаты исследования (изменение толщины днища поршня H1 при внутреннем диаметре D1=0.037 м)

На основании данных из таблицы построим графики зависимости значений напряжений и перемещений от геометрических размеров (конкретно — от толщины юбки, параметр Н1):

Рисунок 6 — График зависимости от H1

Рисунок 7 — График зависимости S от H1

Проанализируем приведённые выше графики. Очевидно, что оптимальные значения напряжений и перемещений получаются при толщине днища равного 11 мм.

2. Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания

Далее необходимо провести прочностное проектирование шатуна двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации шатуна по параметрам «коэффициент запаса — масса». Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у шатуна конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.

2.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели

Выполним учебный расчет, взяв параметры шатуна, представленные на рисунке ниже:

Рисунок 8 — параметры шатуна

Для данного шатуна выбран один изменяемый параметр — глубина выреза B₁. Его численное значение указано в таблице 6.

Таблица 6 — Параметризированные размеры

Создание линий для построения:

Рисунок 9 — Результат построения линий Для дальнейшего построения необходимы только окружности, являющиеся контурами созданных поверхностей. Поэтому удалим ненужные элементы.

Создание ребер шатуна:

Создадим точки 30−37. Затем точки последовательно соединяются линиями 30−34, 31−35, 32−36, 33−37. Затем необходимо разбить внешние окружности верхнего и нижнего кольца построенными линиями.

Выбираем попарно 2 дуги верхнего и нижнего кольца и линию деления. После операции линия деления исчезает.

По точкам, получившимся в результате деления, построим линии ребер.

Чтобы построить поверхность, необходимо сначала достроить дуги, которые исчезли после операции скругления.

Для этого сначала удаляем остаток, затем строим 4 дуги операцией. Для приложения силы и закрепления нам необходимо поделить внутренние окружности, чтобы получить дугу в 90 градусов. Для этого построим вспомогательные линии по точкам.

Таблица 7 — Точки для построения вспомогательных линий

Соединим точки с соответствующими центрами окружностей линиями. Создаются поверхности по линиям. При этом следует обращать внимание на число выделенных линий, так как контуры должны быть полностью замкнуты для создания областей.

Создание объемной модели:

Рисунок 10 — Полученная объемная модель

2.3 Задание материала

Нет необходимости задавать зависимости коэффициентов упругости и коэффициент теплопроводности материала при различных температурах

В окне EX задается коэффициент упругости при данной температуре, равный 2e11; в окнах PRXY - коэффициент Пуассона, равный 0,3.

2.4 Формирование конечно-элементной модели

Задается тип конечного элемента — Solid 185. В меню выбирается размер конечного элемента — 0,0015.

Далее в меню тело разбивается свободной сеткой.

Рисунок 11 — Полученная сетка конечных элементов

2.5 Формирование нагрузок и граничных условий

Приложим к дуге в 90⁰ верхнего кольца силу. В качестве значения силы вписывается заданный параметр Fg.

Производиться закрепление бобышки поршня по дуге нижнего кольца по направлениям X и Y. Сразу по двум осям закрепить не удастся. Поэтому операцию повторяем дважды.

2.6 Расчет напряженно-деформированного состояния

Производится решение и визуализация результатов. Так же проводится исследование влияния геометрических размеров поршня на его внутренние напряжения и деформации, возникающие при его работе при заданной нагрузке. Результаты исследования приведены в таблице 8:

Таблица 8 — Результаты исследования (изменение глубины выреза)

На основании данных таблицы построим графики зависимости значений напряжений и перемещений от геометрических размеров:

Рисунок 12 — График зависимости? от д (глубины выреза) Рисунок 13 — График зависимости S от д (глубины выреза) Проанализируем, приведённые выше, графики. Определили, что оптимальные значения напряжений и перемещений получаются при величине глубины выреза, равной 3 мм.

На рисунках 14−17 показаны суммарные напряжения и перемещения в поршне и шатуне, чьи геометрические размеры являются оптимальным:

Рисунок 14 — Отображение суммарного напряжения в поршне Рисунок 15 — Отображение суммарных перемещений в поршне Рисунок 16 — Отображение суммарного напряжения в шатуне Рисунок 17 — Отображение суммарных перемещений в шатуне

Заключение

В данной работе был выполнен прочностной расчет элементов КШМ, построены поля распределения напряжения и отображены перемещения в деталях, проведено исследование влияния геометрических размеров деталей на внутренние напряжения и перемещения. Был освоен расчётный пакет Mechanical APDL (ANSYS).

Список использованных источников

1. Колчин, А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. /А.И. Колчин, В. П. Демидов — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2002. — 496 с.: ил.

2. СТО СГАУ 2 068 410−004−2007 Общие требования к учебным текстовым документам. С.: СГАУ. 2007. — 30с

3. Методическое указание «Создание расчетных моделей элементов ДВС в конечно-элементном комплексе Ansys». / Сайгаков Е. А.; Горшкалев А. А.; Кривцов А. В.; Сморкалов Д. В: СГАУ, 2010;33с.