Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Методика расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней двигателя внутреннего сгорания

Диссертация: Методика расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней двигателя внутреннего сгорания
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Современные тенденции в двигателестроении характеризуются дальнейшим увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания. Что в свою очередь сопровождается увеличением газовых и тепловых нагрузок, как на детали цилиндропоршневой группы, так и на двигатель в целом. При этом обеспечение требуемой надёжности (безотказности и долговечности) двигателей во многом зависит от того, насколько эффективны… Читать ещё >

Методика расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней двигателя внутреннего сгорания (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Глава 1. Обзор исследований и постановка задачи
    • 1. 1. Проблемы определения напряжённо-деформированного состояния деталей двигателя
    • 1. 2. Анализ исследований температурного состояния деталей ДВС
    • 1. 3. Обзор методов профилирования поршней
    • 1. 4. Выводы по главе 1 и задачи исследования
  • Глава 2. Определение граничных условий для деталей ДВС и построение расчётной модели двигателя
    • 2. 1. Расчётно-экспериментальное определение полей температур деталей ДВС (блока цилиндров, головки блока, поршня)
      • 2. 1. 1. Граничные условия для определения полей температур в головке и блоке цилиндров ДВС
      • 2. 1. 2. Граничные условия для определения полей температур в поршне двигателя ЗМЗ 405.10 с учётом опрыскивания его внутренней поверхности маслом
    • 2. 2. Особенности конечно-элементных моделей деталей ДВС
      • 2. 2. 1. Обоснование применения стационарной задачи теплопроводности при исследовании поршней в трёхмерной постановке
      • 2. 2. 2. Решение задачи теплопроводности методом конечных элементов
      • 2. 2. 3. Описание программного комплекса I — DEAS
    • 2. 3. Определение полей температур деталей головки блока цилиндров, блока цилиндров, поршня)
    • 2. 4. Выводы по главе 2
  • Глава 3. Методика профилирования поршней
    • 3. 1. Расчёт деформаций корпусных деталей двигателя
    • 3. 2. Построение профиля поршня с учётом его температурного расширения
    • 3. 3. Учёт контактного взаимодействия между сопрягаемыми деталями
    • 3. 4. Расчёт контактных давлений между поршнем и цилиндром при последовательном изменении профиля поршня
    • 3. 5. Выводы по главе 3
  • Глава 4. Расчёт НДС и определение коэффициентов запаса прочности поршня
    • 4. 1. Определение граничных условий для расчёта НДС поршня и построение расчётной модели
    • 4. 2. Расчёт НДС и определение коэффициентов запаса прочности поршня
    • 4. 3. Предложения и рекомендации по улучшению НДС поршня и снижению его массы
    • 4. 4. Выводы по главе 4

Актуальность темы

.

Современные тенденции в двигателестроении характеризуются дальнейшим увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания. Что в свою очередь сопровождается увеличением газовых и тепловых нагрузок, как на детали цилиндропоршневой группы, так и на двигатель в целом. При этом обеспечение требуемой надёжности (безотказности и долговечности) двигателей во многом зависит от того, насколько эффективны мероприятия по снижению теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ).

Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень, на который действуют высокие механические и тепловые нагрузки. В свою очередь от теплового состояния всех деталей ЦПГ в большей мере зависит эффективность рабочего процесса двигателя, процесс образования отложений и, что в последнее время выходит на первое место по значимости, токсичность отработанных газов. При этом сроки проектирования и доводки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), вместе с неуклонным снижением массы деталей, сокращаются, что приводит к усложнению расчётных математических моделей и всё большему применению ЭВМ.

Наибольшее признание для решения данного круга задач, по праву, получило математическое моделирование и численные методы, как наиболее эффективный из них, метод конечных элементов (МКЭ).

В связи с этим открываются перспективы разработки инженерных методик для расчёта напряженно-деформированного состояния деталей ДВС и определения геометрии поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями ЦПГ при их совместном деформировании. Обоснованное изменение или построение нового профиля поршня может существенно улучшить как экологические показатели, так и надёжность ДВС.

Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо экологических факторов, обусловлена большой стоимостью ремонта цилиндропоршневой группы, вызванного отказами поршней.

Актуальность вышеперечисленных задач обуславливает важность поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы для диссертации.

Цель и задачи исследования

.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней ДВС (на примере рядного четырёхцилиндрового двигателя ЗМЗ 405.10) с учётом контактного взаимодействия между ними.

Для достижения поставленной цели в работе решаются' следующие задачи:

— построение алгоритма определения граничных условий для деталей.

ДВС- *.

— определение температурных полей в головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС;

— разработка методики расчёта напряжённо-деформированного состояния (НДС) поршней с учётом контактного взаимодействия с сопрягаемыми деталями- 4.

— разработка методики построения профиля поршней с учётом совместного деформирования деталей ЦПГ.

Научную новизну представляют и на защиту выносятся.

— алгоритм определения граничных условий для расчёта температур в головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС;

— расчёты полей температур головки блока цилиндров, блока цилиндров, поршней исследуемого двигателя на режиме номинальной мощности с использованием трёхмерных конечных элементов (КЭ);

— исследование в 3D постановке напряжённо-деформированного состояния головки блока цилиндров, блока, поршня с учётом его контактного взаимодействия с деталями цилиндропоршневой группы и температурами, действующими в этих деталях;

— алгоритм построения профилей поршней для двигателей внутреннего сгорания с учётом совместного деформирования деталей цилиндропоршневой группы.

Практическая значимость Определяется:

— разработанной методикой определения температурного и напряжённого состояния деталей ЦПГ, которая может использоваться в производственной практике предприятий автомобильной промышленности;

— предложенным алгоритмом построения профилей поршней. Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным применением математических методов и подтверждается проводимым в работе сравнением численных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами.

По предложенной методике был спрофилирован поршень для двигателя ЗМЗ-409.10. До изменения его профиля наблюдались задиры цилиндров, после профилирования количестворекламаций по задирам цилиндров в двигателях ЗМЗ-409.10 значительно снизилось. Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались и (или) публиковались на:

— 5-й Международной конференции «Научно — технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт — Петербург, 2003 г.);

— 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г.Н.Новгород, 2004 г.);

— 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» (г. Тольятти, 2004 г.);

— 10-й Нижегородской сессии молодых учёных (г. Дзержинск, 2005 г.);

— 4-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г.Н.Новгород, 2005 г.);

— Всероссийской научно — технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (г. Н. Новгород, 2006 г.);

— диссертация докладывалась на научном семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» НГТУ октябрь 2006 г.

Внедрение результатов исследования.

Разработанные в диссертации инженерные методики, а так же результаты численных исследований используются на ОАО «ЗМЗ» для определения профилей поршней и напряжённо-деформированного состояния деталей цилиндропоршневой группы. Публикации.

Основное содержание диссертационной работы изложено в [10 — 13, 43, 66 -70].

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (основные результаты и выводы по работе), списка литературы. Основной печатный текст вместе с 43 иллюстрациями и 21 таблицей занимает 106 страниц, список литературы состоит из 102 наименований.

Основные результаты и выводы по работе.

В данной работе излагается методика расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания. Таких как блок цилиндров, головка блока цилиндров, поршня.

В результате были решены следующие задачи:

1. Разработаны:

— алгоритм и методика определения температурного состояния блока цилиндров, головки блока цилиндров, поршня;

— алгоритм расчёта минимальных контактных давлений на боковой поверхности поршня;

— способ задания боковой поверхности поршня;

— инженерная методика расчёта коэффициентов запаса статической и усталостной прочности для поршней ДВС.

2. Построен новый поршень для двигателя ЗМЗ 405.10 с уменьшенной на 12.6% массой и улучшенными, по сравнению с базовой моделью, прочностными характеристиками.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

— предложенные инженерные методики позволяют оперативно оценить работоспособность вновь спроектированного или модернизированного поршня;

— изложенные методики имеют практическую значимость для предприятий автомобильной промышленности, в том числе предприятий, занимающихся доводкой и модернизацией существующих двигателей и автомобилей;

— изложены подходы к проектированию поршней ДВС с минимальной массой.

Заключение

.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь и консультации руководителю работы доктору технических наук, профессору, зав. каф. «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» НГТУ В. М. Волкову, сотрудникам «ЗМЗ»: В. В. Голубцову, Е. З. Кобыловой, В. Ф. Дюжакову, а также всему коллективу кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» за помощь и поддержку в процессе написания работы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. -М.: Высшая школа, 1968. 512 с.
  2. Н.М., Рядно А. А. Методы теории теплопроводности. М., 1982.
  3. И.С., Жидков Н. Д. Методы вычислений. -М., 1960.
  4. Ш. М. Макрогеометрия деталей машин. М.: Машиностроение, 1973.
  5. И.А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчёт на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. — 702 с.
  6. А.П. Приближенный метод решения задач теплопроводности в твердых телах // Изв. АН СССР. 1946. № 12. С. 1767−1774.
  7. В.Ю., Керчер Б. М. Способы устранения монтажной овализации гильз цилиндров. «Тракторы и сельхозмашины», 1969, № 5.
  8. М. М., Доброгаев Р. П., Ляхов М. И., Павлов А. В., Соловьёв М. П., Степанов Ю. А., Суваров В. Г. Конструкция и расчёт автотракторных двигателей. М.: Машиностроение, 1964. 553 с.
  9. В.М. Основы механики деформированного твёрдого тела. -Н.Новгород: НГТУ, 2004. 110 с.
  10. П.Волков В. М., Пищаев О. А. Определение деформированного состояния корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания при изотропном статическом нагружении их. Сб. науч. трудов НГТУ. «Современные проблемы прикладной механики». Н. Новгород, 2004. с. 40−44.
  11. В.М., Пищаев О. А. Расчёт термонапряжённого состояния поршня с учётом деформирования корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания. // Проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород. ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2006. № 68. с. 244−246.
  12. Н.Вырубов Д. Н., Иващенко Н. А., Ивин В. И. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. — М.: Машиностроение, 1983. 372 с.
  13. Р. Метод конечных элементов. Основы. -М.: Мир, 1984. 428 с.
  14. С.К., Забродин А. В., Иванов М. Я. и др. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.: Наука, 1979. — 400 с.
  15. М.А., Терёхин А. Н., Денисов B.C. Моделирование напряжённо деформированного состояния блок — картера. «Автомобильная промышленность», 1997, № 1. 19−27 с.
  16. И.Б. Износ и долговечность двигателей. Горький.: Волго-Вятское книж. изд., 1970.
  17. Н.Х., Костин А. К., Шабров Н. Н., Шелков С. М. Применение метода конечных элементов для анализа напряжённо -деформированного состояния поршня малооборотного дизеля. -Энергомашиностроение, 1975, № 11.
  18. Н.Х., Костин А. К., Мельников Г. В., Петров В. М., Харитонов Б. А. Теория двигателей внутреннего сгорания. М. Л.: Машиностроение, 1965.
  19. Н.Х., Дашков С. Н., Костин А. К., Бурин М. М. Теплообмен в двигателях и теплонапряженность их деталей. JL: Машиностроение, 1969.-248 с.
  20. Н.Х., Костин А. К., Бурин М. М. К определению граничных условий при моделировании температурных полей в поршнях ДВС. Энергомашиностроение, 1967. № 4. — с. 18−21.
  21. .Т. Техническая гидромеханика. М.: Машиностроение, 1987.
  22. .И., Каплан В. И., Цыреторов К. Б. Машинно-ориентированные методы расчета комбинированных двигателей. М., 1978.
  23. Извещение № 42 2002 «Исследование деформаций серийного блока цилиндров двигателя модели 406.10 с различными видами прокладок головки цилиндров», ОАО «ЗМЗ» 2002 г.
  24. Извещение № 42 043 — 02, «Исследование влияния толщины прокладки головки цилиндров на величину деформаций серийных блоков цилиндров» ОАО «ЗМЗ» 2002 г.
  25. Извещение № 42 -111−01, «Исследование деформаций блока цилиндров двигателя ЗМЗ 406.10 с залитыми снизу на 71 мм протоками между цилиндрами» ОАО «ЗМЗ» 2001 г.
  26. Извещение № 42 03 — 01, «Исследование деформаций блока цилиндров двигателя ЗМЗ 406.10 с увеличенной глубиной колодцев для резьбовых отверстий крепления головки цилиндров» ОАО «ЗМЗ» 2002 г.
  27. Г. Б., Строганов Г. Б., Шарловский Ю. В. Затяжка и стопорение резьбовых соединений. -М.: Машиностроение, 1985. 224 с.
  28. В.П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1975.-488 с.
  29. Исследование жёсткости корпусных деталей тракторных двигателей. Тракторы и сельхозмашины.№ 5,1969.
  30. Исследование жёсткости корпусных деталей и гильз тракторных дизелей. Сб.№ 3. «Проблемы прочности». Киев. 1968.
  31. Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях. М.: изд. МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2001. — 592 с.
  32. Э.М. Аналитические методы теплопроводности твердых тел. М., 1979.
  33. И.Г. Расчет температурных полей узлов энергетических установок. JL, 1978.
  34. А.И., Демидов В. П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1980. — 400 с.
  35. А.К., Ларионов В. В., Михайлов Л. И. Теплонапряжённость двигателей внутреннего сгорания. -М. Машиностроение, 1979. 222 с.
  36. A.M., Дискин М. Е., Пикус В. И. Жидкостное охлаждение автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1985. — 176 с.
  37. М.Г., Кавтарадзе Р. З. Краевые задачи теплопроводности для транспортных энергетических установок и их решение численным методом // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1989. № 5. С. 149−157.
  38. С.А., Максимов А. В., Повещенко Ю. А. Численное исследование импульса градиента температуры в соединениях материалов с различными теплофизическими свойствами. Препринт ИПМ АН СССР. 1982. № 67. с. 18
  39. В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. -М.: Высшая школа, 1975. 303 с.
  40. Н.А., Голубев О. П., Пищаев О. А. Профилирование головок поршней карбюраторных двигателей ЗМЗ. Том 1. 3 Всероссийская научно техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти. 2004. с. 102.
  41. H.A. Причины и закономерности изменения технического состояния автомобилей в эксплуатации. Нижний Новгород, 2002.
  42. И.М., Попык К. Г., Малашкин О. М., Райков И. Я., Самоль Г. И., Садорин К. И. Автомобильные и тракторные двигатели (теория, системы питания, конструкции и расчёт). М.: Высшая школа, 1969. -656 с.
  43. Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1970.
  44. П.А. Профиль поршня фактор повышения надёжности форсированных дизелей. Автомобильная промышленность. 2004. № 9. с. 12−15.
  45. В.Н., Шатров М. Г. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование. Т.2. М.: Высшая школа, 2005. 400 с.
  46. А.В. Теория теплопроводности. М., 1967.
  47. Материалы в машиностроении. Т.4. Чугун. Под общ. ред. Кудрявцева И.В.-М.: Машиностроение, 1969. 248 с.
  48. Марочник сталей и сплавов. Под ред. Сорокина В.Г.- М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
  49. Машиностроение. Энциклопедия в сорока томах. Термическая механика. Термодинамика. Теплообмен. Т. 1−2.Глав. ред. Фролов К. В. -М.: Машиностроение, 1999. -600 с.
  50. Ш. Е. Численное решение уравнения теплопроводности// Тр. Тбилисского мат. института. 1960. Вып. 27. с.367−410.
  51. С.Б. Программа решения трехмерного уравнениятеплопроводности в полом цилиндре // Изд. ВЦМГУ. 1967. Вып. 29. 13 с.
  52. А.В., Карпухин В. И. Измерение температуры с помощью облученных материалов. -М., 1986.
  53. В. Динамические задачи термоупругости. М.: Мир, 1970. -256 с.
  54. Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир, 1981.-304 с.
  55. М.К., Давыдов Г. А. Тепловая напряженность судовых дизелей. Л., 1975.62.0рлин А.С., Круглов М. Г. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1984. — 384 с.
  56. Е.П. Оптимизация зазоров в сопряжении поршень цилиндр дизелей типа 4-ЧН10,5/12 с учётом их деформированного состояния и перекладки поршня. Двигателестроение.№ 3, 2004.С. 18−20.
  57. P.M., Оносовский В. В. Рабочие процессы поршневых машин. Л., 1972.
  58. Р.М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей внутреннего сгорания. Л.: Машиностроение, 1975. — 222 с.
  59. О.А. Определение напряжений и деформаций в корпусных деталях автомобильного двигателя. Труды 3 Всероссийской молодежной научно технической конференции «Будущее технической науки». Н. Новгород, 2004. с. 184−185.
  60. О.А. Профилирование юбок поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями цилиндропоршневой группы. Труды 10 Нижегородской сессии молодых учёных. Дзержинск, 2005.
  61. О.А. Оптимизация вертикального и горизонтального профиля юбки поршня. Труды 4 Всероссийской молодёжной научнотехнической конференции «Будущее технической науки». Н. Новгород, 2005. с. 122−123.
  62. О.А. Определение напряжений и деформаций в корпусных деталях автомобильного двигателя. Магистерская диссертация. Нижний Новгород, 2003.
  63. И.Л. Техническая гидромеханика. —Л.: Машиностроение, 1969.
  64. К.Г., Сидорин К. И., Костров А. В. Автомобильные и тракторные двигатели. 42. Конструкция и расчёт двигателей. М.: Высшая школа, 1976.-280 с.
  65. К.Г. Конструирование и расчёт автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1968. — 386 с.
  66. Г. Б. Теплопередача в дизелях. М.: Машиностроение, 1977. -216 с.
  67. А.А., Михайлов А. П. Математическое моделирование: идеи, методы, примеры. М.: Физматлит, 2001. — 320с.
  68. Сводный отчёт № 42 2002 «Исследование монтажных деформаций1опытных блоков цилиндров двигателя ЗМЗ 406.10», ОАО «ЗМЗ» 2002 г.
  69. Сегерлинд J1. Применение метода’конечных элементов. М.: Мир, 1979.
  70. .С. Теплонапряжённость деталей быстроходных поршневых двигателей. М.: Машиностроение, 1978. — 128 с.
  71. Технический отчёт «Исследование усилий затяжки болтов головки блока цилиндров двигателя 514.10», ОАО «ЗМЗ» 2000 г.
  72. Технический отчёт «Исследование механических характеристик материала прокладки головки блока цилиндров», ОАО «ЗМЗ» 2000 г.
  73. Технический отчёт «О результатах температурных исследований двигателей», ОАО «ЗМЗ» 2002 г.
  74. Технический отчёт «Расчёт прочности облегчённого коленчатого вала двигателя ЗМЗ-406.10», ОАО «ЗМЗ» 2004 г.
  75. В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. — 512 с.
  76. Н.Н. Методы конечных элементов в расчётах деталей тепловых двигателей. Л.: Машиностроение, 1983. — 212 с.
  77. А.Ф. Математическое моделирование теплопередачи в быстроходных дизелях. Харьков, 1978.
  78. С.М., Петров К. Н. Анализ напряжённо деформированного состояния поршня с учётом контактного взаимодействия с поршневым пальцем. Сб. науч. тр. Автомобили и двигатели. НАМИ. -2001. — Вып. 228. — с.157−166.
  79. П. Инженерные проблемы теплопроводности: Пер. с англ. -М., 1960.
  80. П. Я., Приближенное решение задач теплопроводности методом конечных разностей // Труды института энергетики БССР. 1958. Вып. 6. С. 3−158.
  81. А.И., Жаров А. В. Динамика поршневых двигателей. М.: Машиностроение, 2003. — 464 с.
  82. Patankar S.V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, Washington D.C., 1980.
  83. Patankar S. V., Baliga B. A New Finite Difference Scheme for Parabolic Differential Equations // Heat Transfer. 1978. V.l. P.27.
  84. Reynolds W.C., Perkins H.C.: Engineering Thermodynamics, McGraw Hill, 1977.
  85. Ricardo training package. 1997.
  86. Schneider G.E., and Raw M.J., Control Volume Finite-Element Method for Heat Transfer and Fluid Flow using Colocated Variables- 1. Computational Procedure. Numerical Heat Transfer, Vol.11, pp.363−390, 1987.
  87. Stieper K., Albrecht R. Zur Ermittlung der Temperaturfelder in komplizierten Bauteilen mit Stromungsfuhrenden Kanalen // Wissenschaftliche Zeitschrift der Universitat Rostock. 1975. № 9. S. 1131−1133.
  88. Whitehouse N. D. Heat transfer in a quiescent chamber Diesel engine. Proc/ Inst. Mech. Engrs. 1970 71, v. 18 572/71, pp. 963 — 975.
  89. Wilson E.L., Nickell R.E. Application of the finite element method to heat conduction analysis. Nuclear Engineering and Design, 4(1966), pp. 276 -286.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!