автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Исследование тепловой напряженности поршня двигателя методом конечных элементов

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО И ТРАКТОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

РГ6 од

На првввх рукописи

Аспирант ВО МИНЬ ТУАН

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.04.02 - Тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на саяскзняе учено» степени кандидата технических наук

тККНА - 1994

Работа выполнена на кафедре "Автомобильные и тракторные двигатели" Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения (МГААТМ).

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ДОБРОГАЕВ Р.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор ЧАЯНОВ Н.Д. - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ПАНИН В.И.

Ведущая организация Центральный научно-исследо-

вательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ)

Защита диссертации состоится 1994 г. в/^* час,

на заседании специализированного совета (шифр К 063.49.01) при Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения по адресу : 1Й5023, г. Москва, ул. Б.Семеновская, д.38, ауд.Б-31.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения.

Отзывы нв автореферат диссертвции в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю специализированного совета.

Автореферат разослан "¿2." С^П^ё/Ц^ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета доцент, кандидат технических наук , Ю.А. Завьялов

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Задача по повышению энергетических, экономических и экологических показателей автомобильных и тракторных двигателей при одновременном обеспечении их ресурса является, в настоящее время, одной их основных стратегических задач рвзвития двигатэлестроения. При эксплуатации, детали двигателя испытывают механические и температурные нагрузки. Последние в большинстве случаев являются главным фактором разрушения деталей цилиндро-портневой группы двигателей. В числе наиболее теплонапря-женных деталей поршень занимает первое место. Поэтому повышение термопрочности поршня двигателя является одной из важнейших проблем развития двигвтелестроения.

Во Вьетнаме в условиях высокой влажности и высоких температур тропического климата вопрос повышения термопрочности поршней транспортных двигателей такта является особенно актуальным.

Решение этой проблемы, как показывает практика, достигается только при комплексном проведении расчетных л экспериментальных исследованийI Результат расчета используется дхя оценки теплона-пряженного. состояния поршня. Эксперимент дает конечный вывод о ' термоусталости поршня а подтверждает ^предварительное заключение прогнозирования при расчете, при этом сохранение его.времени проведения достигается разработкой ускоренных термоциклических испытаний.

Разработка расчетно-эксдариюнтального метода, позволяющего прогнозировать термопрочность горшей на стадии проектирования и доводки двигателя, поэтому является актуальной.

Целью работы, является разработка расчетно-эксперимвнтального методе оценки, теплонэпряженного состояния поршней, позволяющего прогнозировать их термопрочность на стадии проектирования.

- 4 -

Задачи исследований заключались в:

- расчете теплонапрякенного состояния поршней при их устаио-вившихся И неустановившихся режимах работы методом кон«чаш влемвнтов;

- экспериментальной оценке температурного состояния поршнай в условиях стендовых испытаний и характера распределения томпвратур по поверхности поршня; получении важных исходных данных для моделирования на безмоторном тепловом стенде;

- создании методики прогнозирования термопрочности и уточненной методики ускоренных сравнительных испытаний поршней на безмоторном тепловом стенде с целью сокращения времени проведения исследования;

- испытании опытных поршней разных технологических исполнений на БТС для оценки влияния этих факторов на термоусталостную прочность поршней и выбора их оптимальных вариантов;

- вырвботке рекомендаций по повышения термопрочности поршней.

Нау<шар новизнаг Разработан расчетно-аксперименталышй метод

прогнозирования термопрочности,порошей, который включает в себя:

- методику расчета на ЭВМ теплонапряженного состояния поршня методом конечных элементов;

- оригинальную методику расчета на ЭВМ изменения температур поверхностного слоя поршня за время рабочего цикла двигателя, позво-ляпцую' исследовать влияние температур этого слоя на термопрочность поршня;

- методику ускоренных тармоциклических испытаний поршней,разрешающую прогноаировьть их относительную термопрочность.

Практическая ценность. Даны оценки теилонапрякеиного состояния- поршня на этапа расчета и предложен оптимальный метод ускоренных термоциклических испытаний с целью сокращения их продолжительности на этапе вксперимата. На основе этого излагаются необходимые рекомендации по повышению термопрочности поршней и предла-

- 5 -«

гается к внедрению составной поршень о композиционное вставкой.

Реализация результатов Работа. Используются а учебном процессе и в научной работе кафедры "Автомобильные ■ тракторные двигатели" Московской государственной академии автомобильного и тракторного машиностроения.

Апробация и публикация результатов. Результаты исследований опубликованы в 3-х статьях.

Структура ц обьем работц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и двух приложений. Объем работы : 112 страниц машинописного текста, 43 рисунка в 12 таблиц. Список литературы содержит 148 наименований, в том числе 21 иностранное.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

| Первая глава посвящена оОобченноиу кнвджзу эксплуатации двигателя.) Причем больное .внимание удаляется вопросу неисправностей двигателя,, которые существенно зависят от тепяэнвпряжеиного состояния шриня. Далее приведен анализ различных конструкционных и технологических факторов, вдияхвих на образование трещин в поршнях двигателя. В главе таювэ приводится обзор исследований термопрочности поршней и путей ее повышения.

В обзоре рассматриваются конкретные пример! успехов' применения более современных методов повышения термопрочности не только в отечественном автомобилестроении но и за рубежом. При этом особое внимание уделено процессу возникновения трещин в зоне камеры сгорания поршня двигателя, пути совершенствования конструкции кромки камеры сгорания и применению различных покрытий с использованием

- 6 -

различных современных технологических способов.

С целью сокращения времени, материальных затрат при испытании и быстрого обнаружения трещин в камере сгорания поршней даигвтвлей, для прогнозирования их термопрочности, выгодный оказывается безмоторный тепловой стенд (БТС).

Большой вклад в исследование теплонапряхеиного состояния пор-.иней двигателя внесли работы Н.Д.Чайнова, А.Ф.Шеховцова, U.K. Овсянникова, А.К.Костина, Н.А.Иващенко, Г.В.Розенблита.В.И.Суркина, М.Рорле, Г.А.Давыдова, А.И.Абрвмчука, В.П.Белова, А.А.Лузунова и др..Анализ этих работ показывает,что зона камеры сгорания является самой опасной с точки зрения термапрочности и что для решения вопроса об де упрочнении необходимо выполнение целого комплекса рас-четно-экспериментальных исследований.

Основными расчетными методами являются численные методы. В отличие от аналитических они позволяют получить решение задачи не в виде окончательных расчетных зависимостей, а в виде массивов чисел, характеризующих,например, /юля температур или напряжений того или иного узла (детали).

Анализ работ ряда авторов показал, что совершенствование мвг тодоа численного анализа температурных полей и полей напряжений деталей ДВС является актуальной задачей, так как использование более йффективных по точности моделей позволяет ускорить создание двигателей с высокими показателями технического уровня.Кроме того, применение новых материалов в ДВС требует более совершенных математических моделей и методик, позволящих исследовать взаимодействие разнородных материалов в состввных деталях и успешно решать вадачц их конструирования. Наиболее универсальным является метод конечных йлеиацтов (ЫКЭ).

Характерная особенность атого метода - широкое использование матричной формы представления алгоритма расчета, которая удобна

для ЭВМ, располагающих стандартными программами для выполнения различных вычислительных действий о матрицами.

Анализ различных методов расчете показывают преимущество, применения метода конечных элементов для решения ряда задач теории теплопроводности,в частности, нашей конкретной задачи исследования теплонапряжеиного состояния г поршней. Пользуясь перспективой этого метода, в настоящее время все Солее популярно решают ряд сложных задач не только по физической природе самых внутрипроисходяцих процессов, но и по конструкционной труднодоступной конфигурации исследуемой детали.

Во второй глвве приводятся основные уравнения, описывающие процесс теплопередачи в двигателе. Отдельно рассматривается раачет поршня методом конечных элементов при его стационарном я нестационарном процессах в симметричной постановке. Вывода выражаются в системе алгебраических дифференциальных уравнений, которые пооле решения изображаются в матрицах. Также матраца очень доступны для моделирования задачи на ЭВМ методам конечных элементов.

Общее дифференциальное уравнение теплопроводности какой-то детали в общей форме описывается слэдухцим образам:

И ♦«{'}■-Й-'

И г т

где |с|- матрица теплоемкости, £с| - £ |с®| 8 [°] " ]

в ув

Для поршня автомобильного двигателя краткая форма развернутого дифференциального уравнения теплопроводности следующая:

ри « ?. (3)

где:

- а -

(«) (5)

Р<«> - I" В(в) НВ(в)й?, (6) - Г >(•> (8)

• у<«> ¿(в)

Ров) " I 1,(в' *(в,<*3. (7) - Г атин(в) (Ш. (9)

где - соответственно матрицы теплопроводности,

конвекц» конечного влемента; - вектор, умошх -ешю««

сил, обусловленных действием соответственно распределенной по поверхности теплового потока интенсивностью ч ж тепловой конвекции на поверхности 0Ц.

Более детально рассматриваются граничные условия при решении задачи теплопередачи поршня двигателя, формулируется корректировка ряда втях граничных условий, учитывая при атом реальный процесо теплопередачи, происходящий а поршне двигателя.

Излагается методика твшю-нвпряжаиного расчета порвшя о учетом корректности граничных условий

1 Ф ' Хр«. " "Ф" № ' ' • (Ш>

О

Лрм. • ' <П>

О

Ф - 7200 для четырехтактного и <р - 360° для двухтактного двигателей.

Коэффициент определяется по формуле Вошни :

Оз; --а1Эр°'8»г0'8 В"°'гТ-°'5Э (12)

Коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к боковой поверхности головки поршня на участке выше зоны верхнего компрессионного

- э -«

кольца (в случае болыюго вавора между головкой шриня ж гильвой) раочитывмтоя по уравнению:

Тк^ - а,ого^/э(иг/ц^)а,и (1з>

или в явном вида

ах'- «Л,— (14)

где - критерий Гретца;

с - коэффициент, вавиоящий от размерности величины, входящих в формулу

о

í

Gt - — ■ —г— - -— •-:- (16)

К 1 я, 1

г * nt of.Xj.Hj - теплоемкость, коаффициент теплопроводности и вязкость

rasa в сопряжении "порвень-гильза", взятые по температуре газовой

сре^ы.

индексы: 'Г" - параметры, взятые по температурам среда; "w" - по температурам стенки; С__„ - эквивалентный расход газа черва цель, а учетом

Ora •

1 • , дросселирования газа черва эону уплотнительннх колец;

■ ■ Г ' •

Gy - гва утечки через кольцевое уплотнение в картер; С^ - газ, заполняющий надкольцевей ваэор. 1 - длина канала. Определение полей перемещений в напряжений при Заданных нагрузках следует осуществить путам нахождения минимума функционала,

который представляет собой полную потенциальную внергию системы

»

конечных элементов, заменяющих упругое тело - поршень :

п ■ Ьг V°eVV.TrJ<w ' / Ku+Zvv)'ÍI6)

У 7

где ор,ог,ое,т - компоненты напряжения в узловой точке

поршня;

er,Ez,Gg,7r2 - компоненты деформации в узловой точке

- 10 -

Поршня;

я - силовые граничные условия (к шш относятся, например, центробежные силы инерции, воанихащве при вращении вала двигателя);

и и т - перемещения в рассматриваемо! угловой точке иорвшя. Деформации следует определять по известным перемещениям,соответствующим дифференцированию матрицы формы , которая овяви-вается о координатной функцией зависимость*)

й " И й- " [Ы№] ^ ' <17)

IV

где - вектор узловых перемещений о элементами

[н] - матрица функции форм. В зависимости от постановки залечи уаловые перемещения содержат перемещения по двум осям (трехмерный расчет).

В упругоплаотичной области связь между напряжениями к деформациями линейная и она описывается уравнением

Й-И(Й-Ы) -Ы). . «•> '

где - матрица упругости, содержащая характеристики

материала; 1

• - вектор начальных деформаций, обусловленных темпе-

м-

ратурным воздействием; вектор остаточных деформаций.

в зависимости

Н - ■ £ ■ Ы - V

(19)

где - коэффициент линейного расширения материала;

Т - средняя температура элемента (определяется о помоащв полученного поля температур).

Минимизация функционала (16) приводят к системе лзгав&шх алгебраически* уравнений, выражающих условия равновесия поршня при заданной системе высших нагрузок. Система имеет вид

МЙ-Й-Ы-К}- КЬ (20}

где А - матрица жесткости системы конечных элементов;

Н> - вектор узловых усилий, статически эквивалентный

всем видам нагрузок.

Компоненты матрицы |а| а вектора следует получить суммированием по всем влементвм одноименных компонентов соответствующих математических величин, относящихся к алементу.

. - вектор узловых усилий, статически эквивалентных

внешней распределенной нагрузка, приложенной к поверхности поршня; |яо| - вектор узловых усилий, статически эквивалентных .

остаточным деформациям; - вектор узловых усилий, статически эквивалентных

начальным деформациям.

Решение полученной системы уравнений с учетом кинематических граничных условий позволяет определить поле узловых перемещений, по которым вычисляются поля деформаций и напряжений.

Pho.I. Поле температур композиционного поршня двигателя B13-2IO0.

Ню.2. Пола штрякений комюзшдожншх) поршня двигателя ВАЗ-21 Ott.

- 13 -

I

Подробно алгоритм и блок-схема программы приведены в диаоа-

г

ртацям, а сама программа раочета ТНДО поршня ТДН2МЗ составленв на алгоритмическом явшсв Фортран-1У в реализована на ЭВМ в МГГУ имени Баумана и КО - 1046 в МОДТМ. О использованием втой программы получены поля температур, напряжений для опытного композиционного порния автомобильного двигателя В13-2108 (рисЛ и рио.2).

В третьей главе налагается анализ процеооа поглощения тепла в поверхностном алое днища поршня, в котором большую роль играют высокочастотные колебания температуры, обусловленные переменными тепловым! потокам» в течение одного рабочего цикла двигателя.

Предложена программа раочета изменения температуры в поверхностном слое на ЭВМ.

4-4

АX

Ж,

ь й

\\

лх

4

ДХпч

Рио.З. Структурная схема расчета Общая формула для наюждещш изменения температуры на к-ом участке от поверхности днища поганя (рпо.З) будет:

«1о " [ч, (о) + Па«5) + Ч1с_1 <°>] - + (21) к

4+1

*к - К*'1 - °Г | ¡>1 - Ч]А*1и] ' * о(,Л*к],

- 14 -

< Расчеты «оказывают, что бЗливи дгасда поршня (при Ах-1 мм) коэффициентом тешклгерздачи X. можно пренебречь, так как при атом ошибке на превышает 0,2%. Поэтому примем, что нагрев поверхности происходит только ов очет теплоемкости материала днища поршня.

Сформулируем вто условие из уравнения общего теплового баланса следующим образом:

% - - Ч, (°) + (с); (22)

*

где с^ - плотность полного теплового потока.тепла, приходящего на поверхность днища поршня о учетом теплоотдачи, конвекции, излучения.

I »

При условии ч, (X) - О я Чд - ^ имеем ^ - Я, (о) + ^(о), а условие нагрева днища поршня принимаем в виде (рис.4.)

Чп " % ' а*пАа " °Р1пЛх0 1 . РЧЦ - ¿4,(0) » срА^ЛХд;-... (23)

РЧя-^с) ' ^(О - срдгк&х0 при Д11 - Ах^ - Ах0(1-/«3)

где коэффициенты 7 и р взяты из экспериментов. Откуда ' ' ; ,

I I I

аг Ат аДт Лх0--3---- ; (24)

орг ср

Чо

1-п---— ; . (25)

срЛх0 , -

После нескольких математических преобразований получим

- РЧц^Сс) - Р(1"Р)к"1Чо - Р(1-Р)к"1срг„Ах0;

Чк(с) - 4^(0) - Ачк(с) - (1-р)к_1до - р{1-р>к_1о0 - (1-/?)^;

- (1-р)ксргпАх0 - сргКАх0;

♦ - —^— - <1-0)4,; (26)

* срДх0 п

Так как % - Чп " Е ¿4^(0), имеем

- 15 т

Программа расчета температур поверхностного слоя поршня составлена на алгоритмическом яаыке TURBO PASCAL в реализована на персональном компьютере.

ъ

"Гц

ж.

i<

¿у,

tu

_L

и

¿у,

ъ

С/

&Х,

I

¿л

J

Ч

АХ,

AL

fC

J

ч

—-

ж

3l

V

JS,

ZàU

и

Рас.4. Схема расчета теплового потока твила и перепадов ташш-ратур в зоне вблизи поверхностного олоя дшиця поршни.

Из таблица I. - результатов исследонааии верхних слоев днища поршня легиовога двигателя BA3--2IQ3 следует, что за ьремя ры^ч^го цикла двигателя изменение температуры в а тал слоях порини неьелико и действует сравнительно на небольшую глубину,иуичнм дакн но милах

t

t

- Д6 -

Таблица I

п Ах 0 0,1 0,2 0,3 0,4

3600 700 Ч 12 6,6 3,63 2,0 1,1

4500 800 ч 10,67 Б,87 3,23 1,77 0,98

Б 600 900 ч 9,68 Б,33 2,93 1,61 0,88

п А*г АХ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

3500 700 ч 0,60 0,33 0,18 0,10 0,06 0,03

4600 800 ч 0,54 0,29 0,16 0,09 0,05 0,027

5600 900 ч 0,49 0,27 0,15 0,08 0,045 0,025

оборотах вто изменение температуры не должно оказывать существенного влияния на прочность поршня. Поэтому при расчете его теп-лонапряженности и усталостной прочности вто изменение температуры верхних слоев лорошя за время .рабочего цикла можно не учитывать.'

Четвертая глава посвящена описанир вксперимвнтальвой части

> I ! • .

диссертации. Проводились.моторные испытания серийного несоставного .и опытных составных поршней (композиционного и некомпозиционного) двигвтелп легкового автомобиля ВАЗ-2108.

Подробно рассматривается конструкция безмоторного теплового стенда.' Нами применялся БТС, который позволяет производить одновременное и в одинаковых условиях испытание 4-х образцов. Головки поршней с комплектом проставок и прилагаемых к ним компрессионных колец устанавливались в гильзы.Подвод тепла к днищам поршнаЯ осуществлялся лучистой энергией галогенных ламп,а его отвод- жцс.остьв, циркулирующей в рубашках охлаждения гильз.Теплосманы производились системой автоматического управления БТС путем периодического пере-

17 н

иещаыхя поршней из воны "нагрев" в зону "охлаждение".

В главе излагается уточненная нами методика ускоренны! терма-циклических испытания. Особенность этой методики в том, что исследовался поршень о отверстием а центре днища для ускорения процесса возникновения трещин. При атом процесс оышадвния центра днища поршня усиливался еще форсункой, вдувающей воздух через центральное отверстие поршня в момент, когда поршень находится в зоне "охлаждение".

Дифференциальное уравнение второго порядка в частных производных относительно температуры Т для штейны днища поршня следупцее

»4,

1

а

«Тп

к и \ & »г

8Ц

20

4У

рвих,«^«*]^ ^а1тар1+аг'Гсрк

БИ

: з^-чх,)

+ -!-^ +,

4У

20

3(Ч01+Ч02>

—¡гг

(28)

Решив (28) а учетом начального и граничных условий, найдом

Т0, в затем Т1 и Т2. После этого можно определить температуру и

отдельных точках днища иоршнй.

Для днища с отверотием уравнение (28) превращается в ураьнь

ние Бесселя й2Т„

1 ат„

ар1

,<1р

где р - г/г,,; в

- О (Т0~у) » О, Г2Г|/А. ; V -

(гз)

Решением уравнения (29) является выражение

- 18 -

V + 0,10(бр) ♦ (вр).

где Г0 и Ку- функции Бесселя нулевого порядив (соответственно первого и второго рода) от чисто мнимого аргумента. 01 и 02 - постоянные, определяемые из граничных условий. Интенсивность радиальных сил (рис.5), равномерно распределенных по'поверхности контура днища и препятствующих свободному расширению днища, определяется из уравнения

Ь

•«»к1

Ьг+а2' Ь2-а2

(31),

радиусы внутреннего и наружного контуров днища;

Рис.Б. Схема расчета напряжений днища с отверстием, а^ - коэффициент линейного расширения материала; q - интенсивность сил давления на наружную цилиндрическую поверхности дшлцв; ц -

коэффициент Пуассона.

Па рис.6 приведено сравнение температурного состояния двух вариантов головок поршней, испытанных на БТС и двигателе. Первым вариантом из них являются головки поршней, изготовленных• методом литья из'сплавов АЛ-30, в второй - головки композиционных поршней, полученных из того же сплава методом жидкой штамповки с армированием днища и зоны под первое компрессионное кольцо керамическими волокнами. Анализируя результаты термометрировакия (puc.fi), можно отметить удовлотворительное воспроизведение на БТС характера распределения температур на головке п^мшя (вариант *Х),

БТЦ

-в вариант i, -о вариант 2 полуцикл нагрева полуцикл ооаждшш»

ЛШЖЁУШ вариант I —д вариант 2

250

Рис.6. Сравнение температурного состояния на БТО и двигатела.

- ЕО - .

такого же, как был получен на двигателе. По варианту *В отмечается существенное различив температур, замеренных на БТО в двигателе. Так, максимальная температура в центре днища головки (термЛ) составила соответственно 370°0 я 412°0,П по периферии днища (терм.4) - ЗЮ°0 и 370°0. Отвод тепла от головок поршней, испытываемых ва БТО, осуществлялся в цикле термонагружения за счет контактирующих их боковых поверхностей о проотавкой. Поэтому различие (70°С) в значениях температур йбусловлено отсутствием гарантированного контакте сопрягаемых поверхностей из-за существенного различия в коэффициентах теплового расширения композиционного в некомпозиционного материалов порошей.

В результате отработки методики безмоторных испытаний был выбран цикл термонагружения головок поршней продолжительностью т= 95с.

Термоусталостные испытания показали, что время до появления трепдан у головки поршня варианта *1 составляет 150 циклов термона-гружений, а у варианта Ш - зоб циклов. При етом общая длина трещин наблюдается у варианта 41 - 17,6 км, в то время, как эта величина у варианта Ш - 11,2 мм. Возникшие "трещинУ имели I радиальное направление и развивались преимущественно в плоскости, перпендикулярной оси поршневого пальца. '

По результатам испытаний, можно констатировать, -что по времени появления первой трещины и суммарной длине трещин, термостойкость у днища композиционного поршня почти в 1,5 раза выше, чем у некомпозиционного поршня.

ВЫВОДЫ

1. Проиоданы комшюксные расчетные и экспериментальные исследо-ьзти порань'й двигалаля легкового автомобили ВАЗ-2108.

- ¿u -

2. tí результате расчетного исследования теплового и нинриллшиго состояния серийного неойоташюго и опытных составных поршней (нбкомшэициошкн'о и комшаициинноги) двигателя Иди 21ш,1ф0ьь-дв1Шого методом конечных алемеатов при граничны* условиях 1-ого и 3-его рода, определены поля температур и напряжений u шла исследуемого поршня. При втом выявлено, что наибольшие уриыш температур а напряжений (304°С и -25D Mlla) наблюдаются а зона центра днища поршня, следовательно его ичитаем наиболее» опийным местом с точки зрения тепловой напряженности.

3. Предложены методике и программа расчета с помощьw ЭВМ иимчтииш температур в поверхностном слое днища поршня в тачание рабочвгч цикла двигателя. При втом,в отличие от известных матодик.иооли -дуются процесс поглощения тепла и характер изменения твмиорв туры за рабочий цикл двигателя в зависимости от расстояния д<> поверхности днища. Результат расчета показал, что иамикшша температур! в поверхностном слое при ( втом составляет йдиницц градусов (на более íü°G у поверхности), поатому оно не оиредн ляет прочность поршня.

4. Для определений уровня напряжений у поршня в зоны искуссс венного концентратора напряжений (отверстия в днище) нами со здана оригинальная методика расчета круглой пластины о отверстием в центре.

5. Проведенные разносторонние вкспериманталыше испытании поршний на моторном стенде выявили значения и характер изменении темпа-ратур нв поверхности исследуемых поршней. 'Гак в центре j?íj(J(! и 380°С и на периферии днища поршня соответственно у вариантой поршней J»I и JS2 : 302°С и ЗШ°0, 321°С и 340°0, 313°0 u 4&0°ü, 3Q0°C И 302°С.

Ь. Испытания составных поршней на безмоторном твшюиим отьмде Ш'ААТМ по разработанной нами оригинальной методике (а цент(>о

- 23 -

днища поршня для создания искусственного концентратора напряжений Сило просверлено небольшое отверстие) доказали возможность значительно (в 2 - 3 раза) сокрвтить время сравнительных испытаний на стенде различных поршней до появления усталостных трещин в их днище.

7, На основании проведенных экспариментальных испытаний на безмоторном тепловом стенде нами предложен цикл термонагружений, позволяющий проводить сравнительные ускоренные испытания различных поршней на БТС.

В. В реультате проведенных расчетных и экспериментальных исследований выявлено, что температуры в элементах днища поршня у опытных составных образцов на 120°0 выше, чем у серийного несоставного, а из опытных составных температура в днище выше на 60°0 у композиционого, но материал у него более прочный,поэтому он дольше по времени выдерживает испытания до появления трещин. Высокие температуры, полученные ка поверхностях поршней (370°С и 412°0) при эксперименте на 'БТС объясняются наличием на стенде простанки, которая препятствует отводу тепла от их поверхностей.

У: Термоуствлостные испытвнйя показали,' что Вреуя ¡появления, трещин у некомпозиционного поршня составляет 1Б0 циклов термонагружений, в у опытного композиционного поршня составляет 300 циклов. При этом общая длина трещин наблюдается у первого варианта -17,6 мм, в то время,как эта величина у второго варианта -11,2 мм. Следовательно, наибольшая прочность у опытного составного композшшогаюго поршня.

10.В результата проведенных исследований рекомендуется для внедрения в серийное производство составной композиционный поршень.

Основный положения диссертации опубликованы в следующих

Работах:

-Щ-

1. Доброгаев Р.П., Во Минь Тувн. Применение метода конечных вле ментов при исследовании нагруженности поршня // Межвузовский обо рник научных трудов "Автомобильные и тракторные двигатели", Москва, 1994 г.

2. Доброгаев Р.П., Во Минь Тува. Расчет тепловой напряженности но ршня методом конечных элементов // Межвузовский сборник научных трудов "Автомобильные и тракторные двигатели", Москва, 1994 г.

3. Доброгаев Р.П., Во Минь Туан. Исследование о помощью МКЗ иама нения температуры верхних слоев поршня в течение рабочего цикли двигателя // Межвузовский сборник научных трудов "Автомобильный и тракторные двигатели", Москва, 1994 г.

" Исследование тепловой напряженности поршня двигателя методом конечных элементов ". Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Подписано в печать 4.04.94. Заказ //4- 94. Тираж 100 Объем 1.0 п.л. Бумага типографская. Формат 30x42/4. Ьш.-шш'ши. • Ротапринт МГААТМ. Москва, Б.Семеновская, 'ЛЬ.

Во Минь Тувн