автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Методика расчета напряженно-деформированного состояния шатуна из композиционного материала быстроходного автомобильного двигателя

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Состояние и перспективы применения композиционных материалов при совершенствовании базовых деталей двигателей и установок.

1.1. Композиционные материалы и перспективы их применения.

1.1.1. Определение композиционных материалов.

1.1.2. Классификация композитов.

1.2. Обзор конструкций шатунов из КМ.

1.3. Анализ методик расчета напряженно-деформированного состояния шатунов ДВС.

1.4. Особенности КМ как конструкционных материалов, общая методология конструирования деталей.

1.5. Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Математическая модель анализа наггряженно-деформированного состояния шатуна из композиционных материалов.

2.1. Определение механических характеристик слоистого композита.

2.1.1. Расчет эффективных упругих и прочностных свойств однонаправленного композиционного материала.

2.1.2. Определение упругих характеристик многослойных композитов при плоском напряженном состоянии.

2.2. Модель поведения монослоя в составе многослойного пакета. Алгоритм расчета прочностных свойств КМ.

2.3. Обоснование и выбор метода оптимизации.

2.4. Алгоритм оптимизации.

Глава 3. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния шатуна.

3.1. объект и цели исследования.

3.2. Экспериментальная установка, тарировка тензорезисторов.

3.3. Экспериментальное определение деформированного состояния шатуна.

3.4. Оценка погрешностей результатов зксперименталъгых исследований.

Глава 4. Расчетное исследование напряженно-деформированного состояния шатуна из композиционного материала.

4.1. Расчетная модель шатуна.

4.2. Расчетный анализ напряженно-деформированного состояния базовой конструкции шатуна.

4.3. Оптимизация структуры слоистого композита.

4.4. Сравнение результатов расчета и эксперимента.

Препятствием форсированию быстроходных двигателей, в направлении увеличения числа оборотов коленчатого вала, является повышение напряженности в элементах конструкции двигателя. Особенно это относится к высоко-нагруженным деталям:поршню и шатуну. Эти детали, во многом определяющие прочностную надежность двигателей внутреннего сгорания (ДВС), подвергаются высоким механическим нагрузкам: силам давления газов и инерции. Кроме того, поршень испытывает значительные тепловые нагрузки, являясь теплонапряженной деталью. Усилия в деталях кривошипно-шатунного механизма (КШМ) непосредственно зависят от массы поршня и шатуна и в современных быстроходных двигателях достигают достаточно больших значений. В связи с этим, в настоящее время, особое внимание уделяется изучению возможностей применения новых альтернативных традиционным материалов, обладающих высокими удельными прочностными и жесткостными характеристиками. Для теплонапряженных деталей важное значение имеет также высокая жаропрочность материала.

Среди альтернативных материалов, рассматриваемых при конструировании деталей поршневых двигателей, называют, в-первую очередь, конструкционные керамические материалы (ККМ), композиционные материалы (КМ), а также различные виды покрытий, наносимые на основной материал (например, алюминиевый сплав).

При применении ККМ ориентируются, прежде всего, на теплонапря-женные детали (поршень, цилиндр) и пары трения, поскольку они обладают более низкой теплопроводностью и высокой жаростойкостью п износостойкостью. Использование этих преимуществ должно позволить уменьшить потери теплоты в охлаждающую среду, повысив, тем самым, долю использованной теплоты, выделившейся при сгорании топлива, и увеличить ресурс двигателя. КМ отводится более широкая область использования, но в основном речь идет, пока, о деталях движения, каковыми являются поршень и шатун.

Именно их применение позволяет рассчитывать на значительное снижение массы детали, а следовательно и на уменьшение инерционных нагрузок, вибраций и т.д. В то же время, композиты представляют интерес и как теплоизолирующие материалы.

В настоящее время имеется уже значительный отечественный и зарубежный опыт создания поршней и шатунов, а также неподвижных деталей из композиционных материалов для малоразмерных быстроходных двигателей.

Целью настоящей работы является создание методики расчета и анализа напряженно-деформированного состояния шатуна быстроходного автомобильного двигателя, выполненного из композиционного материала.

1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КМ ПРИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана методика прочностного анализа шатуна из композиционного материала для быстроходного двигателя типа ВАЗ-2108 (4476/71, №=47.4 кВт, Пе^5600 мин-1).

2. Разработана 3-х- мерная конечно-элементная модель композитного шатуна, включающая: поршневой палец, втулку поршневого пальца, вкладыш, верхнюю и нижнюю бобышки головок шатуна, которые представлены в расчетной модели тремя материалами.

3. Проведено расчетное исследование шатуна из слоистого композита на режимах максимального крутящего момента и повышенной частоты вращения (1. 1пе=6200 мин-1). Выявлены значительные различия напряженного состояния на внешней и серединной поверхностях и по толщине и, следовательно, некоторое отличие НДС от плоского, при этом наиболее опасные зоны, расположены на внешней поверхности нижней части крышки шатуна. Максимальные напряжения составили 45 МПа.

4. Проведенный послойный анализ напряженного состояния материала в выявленной опасной зоне показал, что наиболее нагруженными являются слои с ориентацией вдоль оси шатуна при растяжении в поперечном направлении Коэффициент запаса прочности при этом составил 1.65. С учетом усталостного характера нагружения коэффициент запаса по усталостной прочности составляет «1.

5. Для выравнивания напряженного состояния слоев проведена оптимизация структуры материала. В результате предложена структура с ориентацией волокон 0°- + 12.9° - 90°. При этом увеличивается прочность материала в поперечном направлении, что повышает статическую и усталостную расчетную прочность шатуна в 2 раза.

6. Создана экспериментальная установка для статического тензометриро-вания шатунов из композитов. Проведено экспериментальное исследование образца, изготовленного из исходного шатуна. Полученные экспериментально упругие свойства материала шатуна (образца) незначительно отличаются от расчетных. Проведенное экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния исходной конструкции шатуна подтвердило надежность расчетного определения параметров НДС детали и разработанной математической модели.

7. Результаты проведенных исследований использованы для выработки рекомендаций по дальнейшему совершенствованию детали, внедрение которых позволило значительно повысить усталостные прочностные характеристики и снизить массу детали.

1. Иванова B.C., Копьев В.М. и др. Упрочение металлов волокнами.- М.: Наука, 1973. -207 с.

2. Келли А. Высокопрочные материалы / Пер. с англ. -М.: Мир, 1976.- 262 с.

3. Фудзии Т., Дзако М. Механика разрушения композиционных материалов.:

4. Пер. с японск./ Под ред. В.И.Бурлаева.-М.: Мир, 1982.- 232 с.

5. Композиционные материалы: Справочник./ Под ред. Д.М.Корпиноса. -Киев.: Наук. Думка, 1985. 592 с.

6. Композиционные материалы: В 8-ми т. / Пер. с англ.; Под ред. Л.Браутмана, Р.Крока. -М.: Мир, 1978.-2 т.

7. Достижения в области композиционных материалов. / Сб. науч. Трудов.

8. Конф. Испра, Италия, 1978)/Под ред. Дж.Пиатти:/ Пер. с англ. M.IO. Матвеева и др., Под ред. В.ИЛизунова. М.: Металлургия, 1982,- 304 с.

9. Структура и свойства композиционных материалов/К.Н.Портпой, С.Е. Салибеков, ИЛ.Светлов и др. М.: Машиностроение, 1979.

10. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник /Ю.М.Тарнопольский, И.Г.Жнгун, В.А.Поляков М.: Машиностроение, 1987. - 224 с.

11. Ванин Г.А. Микромеханика композиционных материалов. Киев.: Наук. Думка, 1985. - 302 с.

12. Пат. 0031413 ФРГ, МКИ F 16 С 7/02. Pleuelstange fur Kraftmchinen /Bernd Bongers (ФРГ); Messerschmidt-Bolkow-Blohm (ФРГ)-- N 801066707.9; Заявлено 24.10.1980; Опубл. 21.09.1981.

13. Пат. 3243838 ФРГ, МКИ F 16 С 7/02. Pleuel mit einer aus faserverstärktem Verbundwerstoff bestehenden Bandage / W. Huther (ФРГ); MTU (ФРГ> Заявлено 26.11.1982; Опубл. 08.11.84.

14. Пат. 3329001 ФРГ, МКИ F 16 С 7/02. Pleuelstange aus Faserverbundwerkstoff / J. Kretschmer (ФРГ); Daimler-Benz (ФРГ).- ; Заявлено 11.08.83; Опубл. 20.12.1984.

15. Пат. Японии N 61-22168, МКИ F 16 С 7/02. -1986.

16. A.C. 842420 СССР, МКИ F 16 С7/02. Шатун из композиционного материала с разъемной кривошипной головкой. N1707327; зарегистр. 23.09.1991, приоритет от 16.08.1989.

17. Пат. 60-49114 Япония, МКИ F16 С7/02. 24.07.1985

18. Пат. 2529972 Франция, МКИ F16 С7/02, 9/04. Bielle de piston en matiere synthetique renforcee de fibres / T. Fischer (ФРГ); Messerschmidt-Bolkow-Blohm (ФРГ).- Заявлено 06.07.1983; Опубл. 13.01.1984.

19. Пат. 478472 США, МКИ Fl6 С7/00. Connecting Rod made of Fiber Reinforced Plastic Material / K. Chikugo, T. Murakami (Япония); Komatsu (Япония).- N 4541304; Заявлено 25.03.1983; Опубл. 17.09.1985. 25.08.1983.

20. Kuch, P Kümmerlen. Potential for Lightweight Design of a Hibrid Connecting Rod for Automobile Applications./ SAE Technical Paper Series.-1991. -N 910424. -S.l-8.

21. Mezer Frank. Zum Einsatz von Kunststoffen im Motorenbau, //MTZ. Motorentachn. Z.- 1991.- 52,- N3.

22. Ржаницын A,P. Строительная механика. -М.гВысш. школа, 1982.

23. Кинасошвили P.C. Расчет прочности шатунов авиационных двигате-лей.//Тр. ЦИАМ. -1945.-N 66.

24. Нейман И.Ш. Динамика авиационных двинателей. М.: Обороншз, 1940.

25. Попов A.A. Определение напряжений в головке шатуна.//Транспортное машиностроение.- 1937.- N 8.

26. Симаков Ф.Ф. Расчет шатуна нв силы инерции .//Вестник инженеров и техников.- 1936.- N 11.

27. Симаков Ф.Ф. Исследование распределения напряжений в закрытой головке шатуна/ / Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана.-1949.-N 128.

28. Ромалис Б.Л. Распределение давлений на внутреннем контакте упругих круговых цилиндров // Вестник машиностроения. 1958.-N 12.

29. Тихомиров Я.В. К расчету поршневых головок шатунов на прочность при действии растягивающей нагрузки // Известия вузов. Машиностроение.-1964.- N 4.

30. Носов С.С. Статическая и динамическая прочность элементов шатунов ДВС. -М.:ГОСНИТИ.- 1958. -( вып. 31).

31. Гольбац-Кокин Э.М. Расчет поршневых головок шатунов с учетом ее жескости и зазора посадки в ней пальца // Энергомашиностроение.-1969.- N 8.

32. Туляков В.М. Исследование напряжений в шатуне автомобильного двигателя ЭМЗ-21Д: Автореферат дисс.канд. техн. наук. М., 1970.

33. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания/ Под. ред. Дьяченко Н.Х.- JL: Машиностроение, 1979.- 392 с.

34. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Крушова. М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.

35. Вахтель В.Ю. Исследование напряжений в шатуне // Тракторы и сельхозмашины.-1962.- N 7.

36. Минаев А.Н., Болтов А.Т., Дроздов Б.Н. Некоторые особенности распределения напряжений в шатунах тракторных дизелей //Ученые записки МОПИ им. Крупской.- 1966.- CXVIL- (вып. 3).

37. Казанская А.М. Разработка и применение уточненной динамической модели для расчета нагрузок, напряжений и деформаций в шатунах транспортных дизелей. Дисс. . канд. техн. наук.- М., 1978. 232 с.

38. Клячкин НЛ. Расчет кривошипной головки и шатунных болтов // Энергомашиностроение.- 1968.- N 5.

39. Труко И., Белощавек JI., Палочек Я. Распределение напряжений в шатуне с косым разъемом головки // Strojirenstvi.- 1962.-N 12.

40. Zsazy A. Optical feszultsegvizsqalatok osztoll hajtorudfejeken // Jarmiivek, Mezogazdasgi Gepek.- 1965.- N 12(1).

41. Strütze В. Neue Erkentoisse zur Auslegung geradgeteilte pleuerköpfe //Maschinenbautechnik.- 1969.- N 5.

42. Strütze B. Probleme bei Modelluntersuchungen an pleuerköpfen //Maschinenbautechnik.- 1967.- N 6.

43. Расчет на прочность шатуна быстроходного дизеля с учетом распределенных инерционных нагрузок // Энергомашиностроение.-1973.- N 12.

44. Казанская A.M., Салтыков М.А. Уточненный расчет нагрузок для анализа прочности и жесткости сочленений шатунов V-образных быстроходных двигателей // Энергомашиностроение.- 1975.-N 9.

45. Салтыков М.А. Расчетио-экспериментапьное исследование напряжений в узле разъемной кривошипной головки // ДВС: Науч.-техн. сб. / ЦНИИИН-ФОТЯЖМАШ. -М., 1965.-(вып.2).

46. Салтыков М.А. Расчет деформации постели при затяжке разъемного под-шипнтка с тонкостенными вкладышами. -М.: ГОСНИТИ, 1963.

47. Салтыков М.А. Применение метода эквивалентной рамы для расчета плоскох контуров переменной жесткости в несущих деталях и узлах двигателей // Проблемы развития комбинированных двигателей: сб. статей. -М.: Машиностроение, 1968.

48. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. -М.: Наука, 1977.415 с.

49. Плюксне Н.И., ГончаровВ.П. Приближенная оценка напряженного состояния кривошипной головки шатуна // ДВС: Сб. статей.- ХГУ.- 1972.-(вып.15).

50. Метод конечных элементов в механике твердых тел / Под общ. ред. A.C. Сахарова, И. -Киев: Вища школа, 1982.-480 с.

51. Аболиньш Д.С. Тензор податливости однонаправленного упругого материала // Мех. полимеров. -1965.- N 4.

52. Аболиньш Д.С. Тензор податливости армированного в 2-х направлениях упругого материала // Мех. полимеров. -1966.- N 3.

53. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материа-лов/Алфутов H.A., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. М.: Машиностроение, 1984 - 264 с.

54. Бидерман В Л. Пластинки и оболочки из ориентированного стеклопластика. В кн.: Прочность, устойчивость, колебания. М.: Машиностроение. 1968, т. 2.

55. Васильев В.В. Механика конструкций из KM. М.: Машиностроение, 1988.- 272 с.

56. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей./ Под ред. М.Х.Шоршорова. -М.: Машиностроение, 1981.- 272 с.

57. Иванова B.C., Копьев В.М., Елкин Ф.М. Алюминиевые и мапшевые сплавы, армированные волокнами. М.: Наука, 1974.- 209 с.

58. Композиционные материалы: Т. 2. Механика композиционных материалов/Пер. с англ. А.А.Ильюшина, Б.Е.Победри.-М.: Мир, 1978.

59. Композиционные материалы: Т. 4. Композиционные материалы с металлической матрицей / Под ред. A.A. Ильюшина, Б.Е. Победри.-М.: Мир, 1978.- 232 с.

60. Итоги науки и техники: Т. 3. Композиционные материалы. / Науч. ред. Л.П.Кобец.- Киев.: Наук. Думка., 1988.- 275 с.

61. Р.Крнстенсен. Введение в механику композитов. -М.: Мир, 1982.-334 е.; ил.

62. Амбарцумян С.А. Общая теория анизотропных оьолочек.-М.: Наука, 1974.- 448с.

63. Левин В.М. К определению упругих и термоупругих постоянных композиционных материалов // Изв. АН СССР: МТТ.- 1975.-N 6.

64. Перспективные композиционные материалы // Сб. статей по материалам 10-го национального симпозиума в Сан-Диего. / Изд-во ОНТИ ВИАМ.1965.

65. Победря Б.Е. Механика композитов.-М.: Изд. МГУ,- 1984.

66. Современные композиционные материалы/Под ред. Л.Браугмана и Р.Кро-ка. -М.: Мир, 1970.

67. Справочник по композиционным материалам. В 2-х книгах / Под ред. ДжЛюбина. Пер. с англ. -М.: Машиностроение, 1988.

68. Структура и свойства композиционных материалов / К.И.Портной, С.Е.Салибеков, ИЛ.Светлов и др. -М.: Машиностроение, 1979.

69. Ю.М.Тарнопольский, И.Г.Жигун, В.А.Поляков. Пространственно-армированные композиционные материалы. -М.: Машиностроение, 1987,- 252 с.

70. Фокин А.Г., Шермергор Т.Д. Упругие модули текстурированных материалов //Изв. АН СССР: МТТ.- 1965.-М 1.

71. Хашин 3. Упругие модули гетерогенных материалов. // Е31: Прикладная механика. -М.: Мир. 1962.- N 1.

72. Хашин 3., Розен Б. Упругие модули материалов, армированных волокнами. //Сер. Е31.- М.: Мир.- 1964.- N 2.

73. Хилл Р. Упруше свойства составных сред. Некоторые теоретические принципы // Сб. переводов ин. статей: Механика.- М.,- 1965,- N 1.

74. Хилл Р. Теория механических свойств волокнистых композиционных материалов. 1. Упругое поведение. //Механика. /Сб. переводов ин. статей.1966, N 2 (96).

75. Холистер Г.С., Томас К. Материалы, упрочненые волокнами. -М.: Машиностроение, 1969.

76. Хорошун Л.П., Солтанов Н.С. Термоупругость двухкомпонентных смесей. Киев: Наук. Думка, 1984.

77. Шермергор Т.Д. Теория упругости микронеоднородных сред. -М.: Наука. 1977.

78. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. Рига: Зннатне, 1980.- 572 с.

79. Сендецки Дж. Упругие свойства композитов. Композиционные материалы/ Под ред. JI. Браутмана, Р. Крока; Пер с англ. Механика композиционных материалов/ Под ред. Дж. Сендецки. Т.2. М.: Мир, 1978, с. 61-101.

80. Цай С., Хан X. Анализ разрушения композитов.- В кн.: Неупругие свойства композиционных материалов/ Под ред. К. Гераковича; Пер с англ. Механика. Новое в зарубежной науке.- М.: Мир, 1978.- кн. 16. с. 104-139.

81. Чамис К. Микромеханические теории прочности. Композиционные материалы/ Под ред. Л. Браутмана, Р. Крока; Пер с англ.: Т. 5:Разрушение и усталость/ Под ред. Л. Браутмана М.: Мир, 1978. - с. 106-165.

82. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционный материалов. М.: Машиностроение, 1976.- 144 с.

83. Оптимальное проектирование конструкций. Библиографический указатель отечественной и иностранной литературы за 1948-1974 г.г. Часть I. Ред. Немировский Ю.В., Мазалов В.Н. Новосибирск: ОНТИ СО АН СССР, 1975. - 222с.

84. Фиако А., Мак-Кормик Г. Нелинейное программирование: Методы последовательной безусловной оптимизации. М.: Мир, 1972. - 240 с.

85. Хог Э., Apopa Я. Прикладное оптимальное проектирование: Механическ-ческие системы и конструкции. М.: Мир, 1983. - 478 с.

86. Расстригин Л.А. Статистические методы поиска. -М.: Наука, 1967.-376с.

87. Фельдбаум A.A. Основы теории оптимальных автоматических систем.-М.: Наука, 1966.- 310 с.

88. Юдин Д.В., Гольпггейн Е.Г. Линейное программирование. Теория и приложения. М.: Наука, 1969. -424 с.

89. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование,- М.: Мир, 1975. -535 с.

90. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы: Пер. с ант. М.: Мир, 1982.-583 с.

91. Кнулии П.П., Крелли В. Нелинейное программирование. М.: Советское радио, 1965. -341 с.

92. Уайлд Д. Дж. Методы поиска экстремума. -М.: Наука, 1967.-354 с.

93. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. М.: Машиностроение, 1983.

94. Расчет на прочность деталей машин:Справочник/ И.А. Бирнер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич.-М.: Машиностроение, 1993.-640 с.

95. Козлов И.А. Исследование прочности деталей машин при помощи тензодатчиков сопротивления. -Киев.: "Техника", 1967.

96. Тензометрия в машиностроении: Справ. пособие.-М.: Машиностроение, 1975. -288 с.

97. Таирова Л.П., Цветков С.В. Особенности тензометрирования композитных материалов/Механика композитных материалов.-1992.-N5.-С. 692697.

98. Лавренчик В.Н. Постановка физического эксперимента и статпсти-ческая обработка его результатов: Учеб. пособие для вузов.-М.: Энер-гоатомиздат, 1986.-272 с.

99. Краснокутский А.Н. Методика определения теплового и напряжено-деформированного состояния крышек цилиндров транспортных дизелей с учетом неупругого деформирования материалов: Дисс. . канд. техн. наук: 05.04.02. М., 1992. - 144 с.

100. Биргер, Г.Б. Иосилевич. Резьбовые соединения. Библиотека конструктора. М.: Машиностроение, 1973. - 256 с.