автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика оценки термоусталостной прочности поршней форсированных дизелей

РГБ ОД

cáS-Sti Лешшз, ордена Октябрьской Ревслгши и ордена Трудового Крэсаого Знпыеяи государственный тэхя1Гч'9СЮ!й университет т. Н.Э.Баумана

На псавзх рукописи

Изанчвзхо Александр! Борисович

GliEHKÍ ТЕР^ЮУСТАЯЗСТНСЯ ПРОЧНОСТИ ПСРГКЕЛ ISFCÎPCSAHHbK дгсглЕЛ

С5.04.02 - твагоннэ дв!1гзтеян

Автореферат" диссертации на соискание ученой степени кандидата технически нлух

Москза - 1995

Работа шпсишена в косковскоы ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знааенн государственном техническое университете им.Н.Э.Баумана.

Наущай руководитель - доктор технических паук,

профессор Н.Д.Чакноь.

Официальные оппоненты - доктор технических наук.

профессор К.И.Романов; кандидат технических наук, взчадышк сектора АО ЕШШЬШ В.И.Пашш

Ведутре предприятие - НИКВД, г.Владимир.

Зьп>1та состоится "¿¿" 1995 г. в часов

на заседании специализированного совета К. 053. 15. 05 "Тепловые иааины и теоретические основы теплотехники" при Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Вауьана по адресу: 107005 Москва, Лефортовская набережная, д.1, корпус "Энергомашиностроение".

С диссертацией ыожно ознакомиться в библиотеке МГТУ им Н.Э.Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 107005 Мэ-^ква, 2-я Бауманская ул., д.5, МГТУ ш. Н.Э.Вауыана, ученому секретари совета К.053.15.05.

Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н., доцент

СВОДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постоянный рост уровня форсирования современных автомобильных и тракторных дизелей приводит к повызени» терноыехатгческой напряженности маиОолое ответственных деталей цилкндропореневой грушш (ЦПГ). Многократные циклические воздействия тепловых и механических нагрузок приводят к терыомеха-нической усталости материала деталей ЦПГ и образованию усталостных трещин. Персеиь наиболее подвержен усталостно«1/ разрувенгао, что ЕН31геает сусественное синение ресурса дизеля яри повшении его моетостных показателей.

Для реиения пробломя повцаения термостойкости порпкей и увеличения их долговечности предлагается методика оценга< термоусталостной прочнсх:ти порэией форсированных дизелей, позволяемая исследовать тепловое и налрлленно-дефермировэякое состояние (ТИЛС) яорзгня ка стационарных и нестационарных ре»шах нагрухендя, учитывая льухчастоткый характер нагрулакия, определить лекальные зоны с высской концентрацией напрялений и амплитуду аозк^^аювдх в этих аон&х упругепл&стических деформаияй, а такхе сроиэвести расчет ресурса пергкя до появления трепелам

Использование такси методики поааэляег на этапе проектирования поргшей производить азалиэ эффективности конструктивных мероприятий, направленных на певкэение их термостойкости и долговечности.

Диссертационная работа выполнялась в МГТУ км. Баумана на кафедре "Портневые и комбинированные двигатели".

Цель раДсты - разработка методики расчетной оценки тгрмэуста-лостной прочности порами, а такхе методики термоцикдических ресурсных испыгакий поргзей на сезмсторном тепловом стенде (ВТС).

Научная ноцтзка. предложена методика оценки терхоуставосткой прочности порпней, позвеляшая на стадии проектирования учесть влияние на НДС пергня и его новрегдаемость следусдих факторов: воздействие нестационарного температурного нагрухения, воздействие высокочастотной теь-пературяой состазлящей, обусловленной протеканием рабочего процесса, воздействие газовых сил.

Разработан приближенный метод определения параметров цикла упругопластическсго £еформироьзякя материала порикя в докаль- • ккх зонах с высс;»й концентрацией напряжений па основании применения принципа Иейбера и крлвои цюоического деформирования.

Предловен метод оценки усталостной долговечности поракя в условиях двухчастотного вагрухения.

Разработана экспериментальная методика проведения ресурсшс; испытаний поршней на БГС.

Практическая ценность. Разработанная мэтовика оценки териоус-тадостной прочности позволяет определить ТНДС к ресурс порггкей на этапа проектирования с учетом практически всех составляювдх спектра нагрукения, характерного для деталей, оораауюсих НС.

Определена степень воздействия различных факторов иагругекия на ловрегдаеиостъ поршня.

Создан комплекс программ, реализующий теоретические положения разработанной методики, адаптированный для сЗД серки ЕС и персональных 38У. совместимых с IBM.

Предложенная экспериментальная методика проведения ресурсных испытаний позволяет моделировать на БТС условия иагругенкя, эквивалентные по повреядащеиу воздействие условиям на двигателе.

Эксперимептатьно получгны характеристики цикла нагрухения (изменение температурного поля и динам-.ка развития деформации) поршня с КС типа ДНИДИ и определена его долговечность.

Реализация результатов работы. Основные результаты исследования и программное обеспечение использовались в госбюджетных н хоздоговорных работах, выполненных в НИК 34 при ИГТУ кы.Н.Э.Бау • иана.

Апробация работы. Основные результаты .и содержание диссертационной работы обсухзаяись на Всесоюзном каучно-практическоа семинаре "Совершенствование ыощгастньк, экономических и экологических показателей ЛВС" (г.Владимир,1939), научно-техническое семинаре "Диагностика, тгавыпение эффективности, экономичности и долговочности двигателей" (Ленинград-ПуикннЛ950), научно-практическом семинаре "Совершенствование моакосткых,экономических и экологических показателей ЛВС" (г.Владимир, 1993). а также, в результате проведенного конкурса грантов по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук 1993 г. разрасютгнная методика бьгга отпечена грантом по разделу "Транспортная тех!шка".

Публикации. По темо диссертации опубликованы статьи, теэксы докладов.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из ЕБедения.че-Яфвх глав, списка литературы, паидохешн; соде aw 33 страницы геясга. 66 рисунков, 4 таблицы к списка литературы из 121 накме-

ВОЗЗВИЗъ

£

С0ДЕР8АЮШ РАБОТЫ

Во введении рлосрывавтся акту .гон ость темы, поставлены ноль и задачи исследования.

Первая глава пссвяхэна анализу причин разрушения псрзшей (рор-скровашшх дизелей в процессе эксплуатации, анализу сущестпукао? расчетных и расчетно- экспериментальных методик, пооводящих оценить ресурс порем и других деталей камеры сгорания (КС), а тагаю обзору конструкций безмоторных тепловых стендов (БТС) для физического меделирорадия условий нагрукения деталей КС.

При работе автомобильных и тракторных дизелей а условиях и«-шг/атацки пштбедее характерными являптся неустановигшеся ре>«и-ыы. сбпроЕсжяаЕциеся значительными колебаниям*/ каксиыального давления сгорания, скоростного рохи/а и температуры деталей КС. Для перзшй, как наиболее напряженной п тепловом отнозении летала, выполненной из легкого ашешиевого сплава с относительно невысокими прочностными характеристиками, такой характер нагруяения наиболее неблагоприятен, теы белее о учетои высокого уровня фсрскрэ-ваяия современных лизелей.

Проведенный анализ показывает, что основной причиной разрушения является возникновение в днзщах поранен усталостных треаин з результате ксшлексного воздействия температурных и механически» напряжений, из которых основньки яаежотея сдедуюгае:

- налряхенул, обусловленные стационарный температурный полом на установиЕсихся режимах:

- температурные напряжения, характернее vm неусталовивппссся режимее и зазисяЕЭ1е от частоты и скорости изменения натрутся дизеля;

- циклические напояхения, обусловленные колесаотши температуры в верхней слое днкза в течение кзддого рабочего цнкгз;

- напряжения, вызванные воздействием гаговых сил.

Для исследования тепленап?генного состояния поршней и других деталей КС все болызее применение находяг БТС, позволяющие с . удовлетворительной точностьо моделировать тепловое нагрунекие деталей КС. Существующие БТС ыояно классифицировать по используемым источникам теплоты (эдек-гркческие и химические) и по тара<с-теру нагружения (стационарные и динаютшяе).

Наиболее соверпенньвот стендами, исяольэутоцжю жидкое и газо-

образное топливо в качестве источника теплоты, являются стенды фирмы 5ЕЖ и стенд ЦНИИ МПС.

Больсим разнообразием конструкций отличается БТС, использую-awtí электрические источники теологи: индукционный нагрев то как;; высокой частоту, применение электронагревательные эяеыентоо (спиралей. силитових стержней) и радиационный нагрев от галогеношх ла«п. Сравнение характеристик стендов, испольэуших различные электрические источники -теплоты, показывает, что радиационный нагрев с использование« галогенсвых ламл даст ряд преимуществ:

- к. п.д. натра ват едя достигает 60*;

- галсгеновые лампы имеют приемлемую инерционность. что позголяет на стенде оолеляроаать нестационарные режимы нагрухення;

- прсаа организовать необходимое распределение теплового потока по поверхности дниза псраня.

Наибольгий интерес представляют ВТС МАЫИ и ХПИ. используите гадогеновые ламгы м позволяйте проводить длительные ресурсные испытания паршей на нестационарных режимах. благодаря ряду оригинальных конструктивных ревен1й л использованию системы автомат тическсго управления режимами ватрухениа.

Прочностная оценка порсней и других деталей, образуюгзих КС. до недавнего времени сводидагь к расчету их НДС от температурного воздействия, воздействия газовых и инерционных сил на установившихся реяямах и определена коэффициентов sanaca по пределам прочности, текучести, усталости, длительной прочности.

Одной из первых работ по оценке долговечности деталей КС, то есть расчету количества ггтлов иди времени до нзлтупленкя предельного состояния при работе двигателя по заданному-релизу иди наберу режимов, является работа М. А.Саяьниксэа. Им предлолена расчетно-экспери»ектапьнал метедика. основанная на результатах эксперимента и термоупругого расчета методой конечных элементов (МКЭ). Для реализации ее основных положений необходимы результаты длительных трудоемких зкспер;гмгнтов. в той числе, на горячем двигателе в реалыш уеловчях эксплуатации. что ограничивает возможность ее применения.

В работе В.П.Бедова предложена' расчетно-зкспериментальная оценка термостойкости поршней форсированных автомобильных и тракторных дизелей. Для оценки повреждений от ыазоцикловой усталости использовался дефорыадалшо-кинетический критерий, разработанный коллективом авторов Института магкноведеиия АН СССР,

основашшй ка гипотезе суммирования усталостных и квазястагичес-ких повреждений. Необходимые данные для аиалкппесксй опеюси термостойкости порсия получается из расчета ТЬДС поргяя МКЭ в ос&симиетричнси постановке, а также и» экспериментальных исследований па БТС. Для расчета НДС порсия испольаова-гась теория течения с кинематическим упрочнение*. Отмечается удовлетворительная сходимость расчет.1«« и экспериментальных данных. Заслуживает екюшня методк-са оценки термостойкости поршней на нестационарных режимах работы, изложенная в работе Л. А.Лизу нова. Данная ка-, толика основана на ыатеуатическсй модели накопления повреждений, разработанной В.С.Бсндлрем. В этой мелели реализован энергетический подход. Моделью учитываются пронесен накопления повреждений. их "залечиваяия", охрупчиэачия материала поршня, а также описувгютс.я закономерности циклической пластичности и ползучести. Использование в данной методике двенадцати функциональных зависимостей, котсрые определяются из базовых экспериментов, ограничивает ее применение в расчетной практике.

Методика прогнозирования долговечности поршней дизелей, предложенная в работе С.В.Папонова, использует универсальные эмпирические зависимости позволяющие оцегагь составляющие суммарной долговечности: статическую долговечность, циклическую долговечность и остаточку» долговечность (живучесть). Для оценки статической долговечности используется выражение кривой длительной прочности, циклическая соотавлйЮЕДЯ определяется из ыодифлцирО-ванного урааяекия Мэнсона. в представлении Р.А.Лульнева, живучесть оценивается вьрахением, устаиавлива'мткм сш?зь мелцу количество« цик-лоз нагруж5ния и скоростью распространения трещины, которое справедливо только длл поршней с КС типа ПКШШ. что не позволяет применить данную методику для поршней других конструкции. В методике используются результаты расчета ТВДС поршня МКЭ.

На основании выполненного обзора били сфзры/лхфсганы слегугаие задачи исследования:

1. Развитие методики и програ'.&того обеспечения конечно-элементного расчета ТНДС, позволяющих учитывать двухчаетотный характер вагружекил поршня при работе двигателя на неустановившихся режимах.

2. Разработка метода определения параметров шкла упругопдастя-ческого деформирования материала пергня в локальных зона* с ьатокой концентрацией напряжений, а также в зонах конструк-

тивных концептратороъ на основе кшсчно-элементного расчета НДС в "упругой" постановке,

3. Еыбор и обоснование критерия для оценки термоусталостной прочности порзней в условиях двухчастотаого нагруьеьия.

4. Разработка методики безмоторных исяытаний с использованием БТС для экспериментального исследования теплового и деформированного состояния яорсня.

5. Ладьнейшее конструктивное развитие БТС, ппзволяшее с высокой точностью автоматически отслеживать заданный температурный режим во время ресурсных испытаний поршя.

6. Проведение расчетного исследования для определения степени влияния на НДС порсня различных факторов нагрудения, а так же проверки основных положении методики оценка термоуста-лсстной прочности порсней.

В*-» второй главе представлены основные полодечия методики оценки термоустадсстной прочности пораней автомобильных и тракторных дизелей, ачгоритм которой позволяет проводить многоварианткые сравнятельные расчеты при проектировании и доводке пораней с целью оценки их ресурса при различней конструктивном исполнении. Долговечность или ресурс портя определяется количеством циклов нагружен;« до достижения предельного состояния. Предельное состояние определяется появлением трезюп» длиной 0,5-1ш. Алгоритм методики ЕКличаег следующие этапы:

- расчет изменения теплового состояния порпня за цикл нагру-хенкя, учитыадагий двухчастотний характер иагрухения-,

- расчет НДС порейя а заданны© моменты времени цикла для определения уровня и размаха упруго-пласткческк деформации, вэзникагвдх в запах концентрации напряжений;

расчет усталостной долговечности дерзая. с ислслъзсзанием деформационного критерия Кс£Фкна-Мэнсона. выраженного модифицированными уравнения«! морроу, и линейкой гипотезы суммирования повреждений;

методы определения констант, вхоадцих в рабочие уравнения методики.

Тепловое состояние порпня определялось в результате решения нестационарной задали теплопроводности МКЭ. Алгоритм резения учитывает нелинейность первопо рода, обусловленную зависимостью от температуры коэффициентов теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности материала поршя, а также позволяет учитывать

б

нелинейность второго рола, то ость зависимость граничных условий (ГУ) от температуры.

При определении НДС поргня использовался общепринятый ыетод ревекяя задач теории упругости ЫКЭ, связанный с мкпкмизацией потенциальной энергии системы при отыскания узловых значений вектора перечоаений. В алгоритмах, связанных с расчетом теплового и НДС порсня ЫКЭ, используется осескиыетричлая постановка.

Одним из основных этапов прочностной оцешз пороней в условиях циклического неизотермнческого нагрухения является определение амплитуды упруго-пластической деформации в зонах конценграции напряжений. Для этого используется принцип Нейбера, обоСщги-ный для различных случаев неоднородного напряженного состояния, кмесзяй 2ИД:

бгЛ: - £ут ( «У «■ Спл . (1)

где ьг - амплитуда напряжений, определяемая на оснссачии гипотезы Губера-!.Ь'.эеса-Генки по результатам расчета 11ЛС МКЭ;

Су - упругая сссталляЕдая амялитуды суммарной упруго-пластической деформации;

£Пл - амплитуда пластической деформация;

Е - модуль упругости;

гл - показатель, зависящий от условий нагрухения. принимает значения от 0 до 1.

Для оценки усталостной долговечности порше й в предлагаемой методике используются уравнения Мэнсока в форме, предложенной Дя. Морроу. Данные уравнения модиФ;щироваяы на основании работ Поспишила Б., А.П.Квитки, в которых показано, что предел усталости связан с существованием так называемой обратимой неповрех-дакцей пластической деформации. которая реализуется движением дислокаций и представляет собой дйфорладконккй предел усталости. Амплитуда этой оЗрата.юй пластической деформации имеет порядок Ю-5, для ряда сталей .и пораневых сплагов ее величина (3-4)*}0~5 Кодифицированное уравнение Морроу имеет вид:

е - Еу + Епд.р + епл.н » бг/Е(211р)ь * еГ(2Нр)с + епл.п. (2)

где епл.р - амплитуда разруваадей пластической деформации; епл.а - амплитуда неразрушаадей пластической деформации;

- разрушающее число циклов; 6г, сг, Ь, с - константы материала.

При асимметричном циклическом нагруженки амплитуда цикла корректируется коэффициентом влияния асимметрии цикла, полученным на основании формулы Смита.

бе г вкв • а ба. Г ; (3)

а - /биах/ба , (4)

где а - коэффициент влияния асимметрии цикла,

бтах- действительное максимальное напряжение цикла, ба - действительная амплитуда напряжений цикла. Если в результате расчета а<1, пргаимзется а-1. Значения брюх. бй определяются на основании использования модифицированного уравнения Нейбера (1).

Допустимое число циклов находится !*з выражения, являющегося результатом совместного решения уравнений (1),(2),(3):

ба г »кв - <6f [^2МР)с+епд н/егЗь/с>т (бгГ(2Хр)с +

+ епд „/ef3b/c + Е tef(2Np)c + Спд н])1'1" . (5) Уравнение (5) решается итерационным методом Ньвтока-Рафсона.

Детали КС подвержены двухчастотному нагруженюг При таком виде нагрухеккя условие разрувення (образование трещдаы) на основании работ С.В.Серенсена, М.М.Гаденина имеет вид:

г:

Мр Np

dK/Np(t,T.ett(N))+ 0J о"

dNWCc.T.ea'W*), (5)

где еа - полная амплитуда упругопласткческих деформаций при двухчастотном нагружении; еа* - амплитуда деформаций от высогачасготиой составляющей температурного кагрукекия;

Кр - допустимое число циклов, соответствующее нагрухокию амплитудой напряжений ба от суммарного воздействия высокочастотной и низкочастотной составлякзих; Нр* - допустимое ч:дсло циклов, соответствующее нагруженкзо амплитудой налраъений ба* от воздействия высокочастотной температурной составляющей; К - число циклов низкой частоты до появления усталостной трещины;

Н* - число циклов высокой частоты до появления усталостной трескны;

Значение суммарной полговсчнсстн А мзьет приниматься равных 1. что позволяет с удовлетворительной для инженерных расчетов точность*) сцеямть ресурс порвш? ло лоявлытя устаюстной трегаиь. Истинное значение А иожет отличаться от 1, что связано с приближенность® гипотезы линейного суымированкя повреждений, а тагяе неучтенным влиянием таких пропгсссв. как релаксация напряжений, циклическое упрочнение и разупрочнение материала.

Во второй главе приведен ачаляз расчетных и расчетно-экепери-иентзлына методов определения констант бг, t[, b, с, а иыеннэ, выражений Мэнсона. Биргерз, Лульнева, по экспериментальным кривым усталости и др. Значения используемых, констант соответствуют эффективной температуре цикла, определяемой аырахением: Тов - ( 3 Тггех ♦ Tmtn ) / 4 , (7)

где Tmax, Гпт - вдкеимзлъная и ккниыальная температуры цикла. Для определенкя„показателя степани m проводится предварительный расчет НДС поршня на первом педуцш'-ле кагрухения, то есть при постоянном возрастая»', нагрузки, в яелинейчой постановке по дефзр-узцкзнной теории пластичности. Деформационная теория пластичности реализуется в рамках при использовании метода переменных параметров упругости. Получив из расчета величины суммарной и пластической деформаций, определяют показатель ш для каждого концент ратора напряжений.

В третьей главе представлена описание экспериментальной установки методика и результаты экспериментальных исследований.

В ходе эксперимента на SIC исслеловамсь тепловое и де<фор1«ро-взнное состояния пораая тракторного дизеля 4ЧНИ/12.5 с КС типа ДНИДИ при неизотеркичесгаз« циклическом нагрулеиии, а такт.э проводились ресурсные испытания згого дорсня.

В качестве источник теплоты на стенде пржеяялся иагрбватаяъ с кварцевыми галогенсвыии лачпами нзкажваяия типа КГ-220-20С0. Стенд бил оензлен систеысй аьтсиатичеснзго управления (САУ), состоящей из аналоговых регуляторов температуры Р 133, электронных реле Бремени, блоков управления тирксторкыми усилителями и собственно тиристорных усилителей У-2.52. которая позволяет задавать эпачеяия максимальной л минимальной температур цикла яагрудения, длительность периодов aaöpoca и сброса нагрузка и автоматически отслеживать введенные параметры.

Для оорзпш била наготовлена индивидуальная рубашка охлаждения, которая подключалась к замкнутой системе охлаждения, имеющей холодильник, нагреватель, водяной насос и позволяемой поддерживать постоянными температуру, расход и давление охладдапщей жидкости. При исследовании температурного поля поршня применялись хромель-алюмелевые термопары, установленные в 28 контрольных точках, и осуществлялась непрерывная регистрация температур•

Для определения амплитуды деформаций на кромке КС использовались приклеиваецые высокотемпературные тензорезкеторы ТВК-450 с базой Б т. Чтобы исключить температурную составлящул в выходной сигнале рабочего тензоревистора, в мостовую схему был включен ксотексационный тензорезистор. При измерении осуществлялся контроль температур рабочего и компенсационного тенэорезисторов.

Измерения проводились на двух режимах. На режиме 1 моделировалось изменение теплового состояния поршня при набросе нагрузки с реяима холостого хода на режим номинальной моаности и обратно, согласно имеющимся результатам термоиетрированкя, полученьым на двигателе. Чтобы учесть влияние высокочастотной составляющей, обусловленной"протеканием рабочего процесса в КС дизеля, на НДС поршня, на режиме 2 температура кремки увеличивалась на 20 °С (величина амплитуда темпера!урной высокочастотной составляющей), температура же боковой поверхности портш оставалась неизменной 8а счет интенсификации процесса охлаждения. Уровень деформаций кройки КС на этом режиме соответствует деформированному состоянии при двухчастотнои нагружении.

Изменение теплоЕого и деформированного состояния кройки КС на режимах 1 и 2 приведено на рисЛ. Относительная погрешность при намерении температуры составила 21, относительная погрешность измерения деформаций - 141.

Одной из задач эксперимента было проведение ресурсных испытании пораня до заражения тре;р!ны. Поршень нагружался по режиму 2, при этом осуществлялся контроль температур. В качестве предельного состояния принималось появление трецины длиной 0,51 мы. Появление трещины длиной 0,8 мм было обнаружено через 1680 циклов на кромке КС рядом с осью симметрии, перпендикулярной оси поршневого пальца.

В четвертой главе проведен анализ теплового и НДС поршня дизеля 4ЧН 11/12,5 при двухчастстнсм неизотермическеы нагружении и проведена оценка его долговечности по изложенному ваке ачгорнтму.

Ксяечяоэлемеятнзя коцепь поршня состояла из 788 узлов и 1334 элементов. Цикл яагрухения портя включал ражим холостого хода, паевое нагрузки до номинальной мощности (tie--80 кВт, «-230,4 с"1) и ей рос нагрузки до режима холостого хода. Продсляитель яоетъ цикла составляла 240 с. из которых время набросз нагрузки - 120 с. Яа это время порзень успевает выйти на заданный температурный режим и охладиться до исходного состояния.

Ресение нестационарной задачи теплопроводности проводилось с использование« ГУ 3-го рода, полученных расчетным путем и скорректированных по результатам эксперимента для режимов холостого хода и номинальной ыовдости. Изменение ГУ на участках "наброса" и "сброса" нагрузки ае задавалось. Было получено хорошее совпадение расчетных (ркс.2) и экспериментальных (рлс.1) теыпературик кривых для кромки КС и других контрольны»: точек поргшя

Расчет теплового состсяр/л порзня при двухчастотноц теипера-турном воздействии осуществлялся следуют образом: задавались макроинтервал от начала нагруяения до расчетного момента времена макрзцккла и микроинтервал, равный длительности протекания рабочего процесса в двигателе. Для макроинтервала репалая» пестацяо-нарная задача теплопроводности с ГУ 3-го рода и соответствуюз&м вагем по времени (1 или 5 с). Полученные для заданного момента времени значения температур, являлись ГУ 1-го рода при решении нестационарной задачи теплопроводности на временном микроинтервале. Для узловых значений температур йромки КС задавался синусо-идалышй закоя изменения за время микроинтервала с амплЕтудой 20 К." Временной иаг расчета на микроингервгле составлял 0.07 с.

На заданных временных сагах проводился расчет НДС порзня в упругой -постановке (рис.3), результаты которого показали, что учет влияния высокочастотной температурной составляющей призод5гг к значительному увеличению уровня расчетных температурных напряжений. Так, окружные напряжения, возникающие в кромке КС на р®-жнменомянальной мощности увеличились с -35 (рис.2,45) до -65 ЬЯа (рис.36), а максимальное аначэние составило -81,2 Ша (рис.За),

Для оценки степени повревдгшего воздействия' газовых сил был проведен анализ термоупругого состояния поршня на режиме номинальной мощности с учетом газовых сил, воздействие которых учитывалось заданием силовых ГУ в виде распределенной по днищ.' nopi-вв нагрузки, величина которой (10 МПа) определяла» на основе индикаторной диаграммы, полученной на режиме номинальной мощаоста.

ГС

ÁT.1 «о

и JC0

60 isa

40 200

20 40

/ лЪ X к \

7/, лТ,/ / X Ъ/

/ s ^4=

/ —n ¡

чй во М т '—sq^

--

г k / t о «с о о

\ 1 иЗ —Л- к

- -г

Г.с

Рис.1. Изменение температуры и деформация крсиг.и Y.C пориня дизеля типа -1ЧН11/13,5 на рсжишх 1,3 STC. ЛТ. - радиальный перегая темгератур ро дниау пораня.

б.Ма

Д'С 30

60 ей

ш

0 0

-10

-20

-30

-«0

-58

—— \

ч Д

А Л

А X ч /

—¿5 57 Г —¿60 w

/

/ !

íCff

Рас.?. Расчетное изменение температуры и главных напряжений на кремке КС поршня за цикл нагружениа

Ряс.2. Полл окружных температурных яалряженяй (Ша) порпкя за 3(а), 120(3) а 125(3/ секундах шкса нагружэнил

Рис.4. Поля температур (а) и окружных температурных капрятсений псргня (МПа) на релоиэ номинальной мощности: б - упругий расчет; в - упругопласгический расчет

Результаты ракетной н экспериментальной осевок термо-устадсстной прочности ясроня дизеля типа 4ЧН 11/12,5.

1 ......... I Параметры |Зона|Эоиз |Крсмка|Зсна установи ' "■ 1 Эксперимент1

1 1 I | датчиков i ь

1 А 1 Б | КС |-!- I 1

1 1 1 1 1 1 |Реж.1! Ред.2 1 1 Fe*.ljРе».2t 1 i

| Эффективная 1 I 1 1 1 ! 1 1 1 ! I 1 1 I

] температура 1 ! 1 1 i I 1

1 цикла. (°С> 1234 I 218 | 330 1310 ! 325 310 | 325 |

1 Амплитуда ! I 1 1 i 1 1

i пластической 1 ! 1 1 1 i l

| дефериашш, (X) I0.01l0.0141, 0.029' - 5 - - 1 - 1

| Амплитуда 1 1 1 1 1 ! f

| суммарной 1 1 I 1 1 1 I

I де^>рмац>ш.(Г) \С.0610.0551 0.090|0,046i 0.06 0.033i0.04 |

| Ампвитуда 1 1 1 j j 1 1

i напряжении,(МПа) |32.0| 3t,01- 33.8 ¡26.6 1 34.2 - 1 - 1

I Лопусткш* числоj | | 1 1 1,1

| циклов, К ! 4-i?0| 29701 152Ci | - I - |1680 1

....._. * ' ,...J___!-- -!-1

Пгл этом скрух'-ко напряжения на кремле КС составили -50 (.Па. а в плескостн днида произошло перераспределение напряжений. Результаты расчетоз НДС от действия разовых сил показали, что при механических нагрузках более целесообразна» является трехмерный расчет. Зтэ связано с количественным к качс-стьеккиы различием напряжении в плоскостях сныметрии ка кродае КС.

При оценке усталостной долговечности определялись параметры циклического деформировэяия и число циклов- до появления усталостной трецины длиной 0.5-1 ш. Предварительно был проведен вспомогательный упрут!дэст!песким расчет НДС пердня по деформационной теории лласти-шостн нз первой подуцикде нагружеши (рис.4в), 'который поззолид уточнить показатель ш уравнений (1). (5) для выделенных концентраторов напряжений. В алгоритме использовался метол переменю параметров удругости,' реализованный в рамках МКЭ О'епка долговечности проводилась для двух вариантов нагружения.

Пер;гый вариант соответствовал экспериментальному режиму 1 па БТС Второй вариант учитывал двухчастстный характер нагруления порвня Таких условиям нагрухения эквивалентен режим 2 па ETC. Расчетные параметр« циклического деформирования к долговечности для выделенных локальных зон с высокой концентрацией напряжений (кромка КС, зоны А, в на рис. 3) имеют достаточно высокую сходимость с результатами эксперимента (см. таблицу).

В результате статистической обработки результатов ресурсных испытаний поргня на БТС и на двигателе Сьи определен доверительный интервал для среднего значения долговечности порпня N с заданной вероятность«? 0,95. т.е. К - 1800 t 225 циклов. В расчетах принималось лсгарк$ь«чесхи нормальное распределение долговечюстей. Полученное расчетным путем значение долговечности N - 1620 циклов находится в пределах доверительного интервала. что подтверждает работоспособность и эффективность предлагаемой уетод!га сценки терыоусталостной прочности порз-ней транспортных дизелей.

Основные выводы Проведенные теоретические и рзсчетно-экспериментальные исследования позволяют сделать следушие выводы:

1. Разработана методика оценки термоусталосгной прочности псрз-ней форсированных дизелей, позволяющая рассчитать изменение THJJC поргня на неустановивзихся режимах на основе решения !<КЭ нестационарной задачи теплопроводности в осс-с!аг<етр;:чной постановке и моделирующая двухчалотный прсцесс теплового негру-хения. Разработан алгоритм расчета усталостной долговечности порам на основе использования деформационного критерия Морроу и ликейнсй гипотезы сушщкэванкя повреждений, модифицированной для условий двухчастотного нагрухеяия.

2. Показало, что определение парауетраа циклического дефорык-роват1Ш (ачсплитуд пластической и суммарной деформац;^, амплитуды напряжений) для зон с высокой концентрацией напряжении, а также для конструктивных концентраторов мозско выполнить на основе результатов ковечноэлементного расчета НДС порпня с использованием принципа Нейбера.

3. Применительно к БТС разработана САУ, позволялся в автомат тическсм режиме проводить ксшлаякя пораней на усталостпув долговечность, с высокой точностью отслехнвая заданный ре-гош нагруаении.

4. Разработана методика безмоторных испытаний, позволяющая организовать цикл нагрухенкя, олийкий по повреадаедему воздействию реальным условиям нагружения нз двигателе.Проведенные ресурсные испытания портя и высокотемпературное тензометрирование подтвердили правильность основных положений методики безмоторных испытании.

б. Проведена расчетная оценка влияния различных факторов нагрузке кия на НДС поршня дизеля 4ЧН11/12.5, а также выполнен расчет усталостной долговечности данного поршня. Расчетная долговечность и полученные параметры циклического деформиро-ряния удовлетворительно согласуются с результатам проведенного эксперимента.

6. Упомянутые алгоритмы реализованы в программном комплексе "Термопрочность", разработанном во Владишфском государственном техническом университете.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Иванченко A.B., Салата В. Н.. Тимошин A.B. Комплексная методика оценки прочности и долговечности поракей автотракторных дизелей //Совершенствование мощностяых, экономически и экологических показателей ДБС: Тезисы докладов всесоюзного научно- практического семинара. - Владигоф, 190Э. - С. 105.

2. Тимохин A.B., Иванченко A.B., Са5ата Б.Н. Методика оценки прочности и долговечности поршней автотракторных дизелей //Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей: Тезисы докладов всесоюзного научно-технического семинара. - Ленинград-Пускин, 1990. - С. 25-96.

3. Чайнов Н.Д.. Ткмочкн A.B., Иванченко А.Б. Оценка усталостной долговечности порзшя тракторного дизеля при циклическом нагруяении //Двкгателестроение. - 1990.- N 11.- С. 14-15.

4. Тимохин A.B. ,. Иванченко A.B. Оценка долговечности поршня тракторного дизеля методами численного и физического моделирования по критериям усталостного разрушения //Совериенствоваяне иощ-ностных, экономических и экологических показателей ДВС: Тезисы докладов всесоюзного научно-практического семинара. - Владимир,

1994. - С. 91-92.

5. Иванченко A.B. Безмоторный стенд для моделирования теплового состояния порвшей дизелей //Автомобильная прсмызлеинкость. -

1995. - it г - с 27-2а