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.

Содержание

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

Введение

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

Параметр								Fg
Размер, м	0,046	0,009	0,037	0,005	0,016	400	200	9,84e6

Таблица 2 - Геометрические размеры поршня

№	X	Y	Z	0.04225	0	0
2	0.04225	0.003	0
3	0.04225	0.020	0
4	0.04225	0.033	0
5	0.03925	0.033	0
6	0.03925	0.035	0
7	0.04225	0.035	0
8	0.04225	0.038	0
9	0.04225	0.038	0
10	0.03825	0.039	0
11	0.04225	0.039	0
12	0.04225	B1-0.001	0
13	0.03925	B1-0.001	0
14	0.03925	B1	0
15	0.04225	B1	0
16	0.04225	0.051	0
17	0.020	0.051	0
18	0.010	0.0478
19	0	0.048	0
20	0	0.051-H1	0
21	0.010	0.051372-H1	0
22	D1-0.00875	0.054-H1	0
23	0.037	0.003	0
24	0.03925	0.003	0
25	0.03925	0	0
30	0.04125	0.0510	0
31	0.0400	0.561	0
32	0.0350	0.0610	0
33	0.0280	0.0610	0
34	0.0250	0.0545	0

Таблица 3 - Геометрические размеры бобышки поршня

№	X	Y	Z
500	0	0.021	-0.034
501	0	0.021-B2	-0.034
502	B2-0.000069	0.019517	-0.034
503	B2+0.00154	0.047	-0.034
504	0.0379	-0.034
505	-B2-0.00154	0.047	-0.034
506	0.000069-B2	0.019517	-0.034
507	0	0.010	-0.034
508	0.011	0.021	-0.034
509	0.004583	0.031	-0.034
510	0	0.032	-0.034
511	-0.004583	0.031	-0.034
512	-0.011	0.021	-0.034
513	0.009526	0.00265	-0.034
514	-0.009526	0.00265	-0.034
599	0	0.010	-0.014

 

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

	200	400
	69e9	69e9
	0,30	0,30

В окне ALPX задается коэффициент теплопроводности материала при данной температуре:

200400
	19e-6

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

 

.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= (Tmax-Tmin) /0.061

*do, i,1,n_count, 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)

Толщина днища поршня, мм	3,5	5	6	7	8	9	10	11	12
Максимальные суммарные напряжения, МПа	1380	1230	1210	1300	1220	1160	1160	1150	1200
Максимальные суммарные перемещения, мкм	1384	506	616	485	474	464	451	440	428

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

Параметр	Глубина выреза
Размер, м	0,003

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:

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

N	X	Y	Z
36	0.0077782	0.1422218	0
37	-0.0077782	0.1422218	0
2	0.019799	0.019799	0
3	-0.019799	0.019799	0

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)

Глубина выреза, мм	3	4	5	6	7	8
Максимальные суммарные напряжения, МПа	320	341	366	399	477	502
Максимальные суммарные перемещения, мкм	57,5	64,8	74,4	84,3	106,0	138,0

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

Рисунок 12 - График зависимости Ϭ 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

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.

. СТО СГАУ 02068410-004-2007 Общие требования к учебным текстовым документам. С.: СГАУ. 2007. - 30с

. 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.