автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Прогнозирование зарождения и роста трещин в головках блоков цилиндров транспортных дизелей

Р Г Б ОД

- 8

На правах рукописи

ПЕНЗЕВ Владимир Николаевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗАРОЖДЕНИЯ И РОСТА ТРЕЩИН В ГОЛОВКАХ БЛОКОВ ЦИЛИНДРОВ ТРАНСПОРТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность: 05.04.02 - тепловые двигатели

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 1998

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им. И. И. ПолзуноЕа, кафедра "Двигатели внутреннего сгорания.

Научные руководители:

доктор технических, наук, профессор Попович Б. С.

кандидат технических наук, профессор Дружинин В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Чайнов Н.Д.

кандидат технических наук, профессор Нечаев Л.В.

Ведущая организация: ОАО "Барнаутрансмаш*.

Защита состоится " С¿Ю^у*.__)998 Г-, в часов

на заседании диссертационного совета Д.064.'29.0! при Алтайском государственном техническом университете, в конференц-зале по адресу: 656059 г. Барнаул, пр. Ленина, 46, факс: (8-3»5-2)-26-05-16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлхТТУ.

Созывы на автореферат, заверенные г.счсг^'.- ^ашет учреждения просим направлять з двух экземплярах по указанному адресу на ш ученого секретаря диссертаиконного совета.

Автореферат разослан "& __сг ¿-¿'Ц^ ;993 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д. 064.29. 01 /.

д.т.в.. профессор В.А. Синицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Повышение энергонасыщенности с одновременным уменьшением материалоемкости вьщйинули проблему, связанную с появлением дефектов в основных деталях дизеля, подверженных механическим и тепловым воздействиям. В связи с этим, расчеты на прочность и автоматическое определение напряженно-деформированного и теплового состояния, прогнозирование; зарождения й роста трещин в сложных деталях, к которым относится и головка блока цилиндров, должны обеспечить снижение затрат на стадиях проектирования, форсирования и испытаний. Разработка научных основ проектирования, расчета напряженно-деформированного и теплового состояний головок, как объекта исследований,1 приводится в той или иной мере в работах Э. А. Симеона, Н. Д. Чайнова, В. Г. Заренбина, Н. А. Ива-[ценко, Б. А. Харитонова, В. М. Петрова, Б. А. Взорова, А. В. Адамовича, А. Г. Арабена, А. С. Орлина, В. А. Ваншейдта, Б. И. Богданова, В. В. Бойко, Ф. В. Бондаревой, А. А. Бундина, А. С. Вольфовича, П. А. Истомина, А. Л. Квитки, С. П. Косырева, В. В. Котлярова, С. П. Кравчука, В. Г. ЕСривнова, А.К. Костина, Г. Д. Межецкого, М. И. Раенко, Ю. П. Сапелки-яа, В. К. Фомина, Н. Н. Шаброва и других. Развитию механики разрушения, методов прогнозирования зарождения и роста трещин посвящены работы А. А. ГрйффитСа, Г. Р. Ирвина, Ж. М. Дайгела, Е. М. Морозова, Г.П. Никишкова, Ю. И'.'Смирнова, В. Г. Пашнина, С. А. Акимкина, Н. Н. Иг-матюка, А. А. Азевича, В. А. Ракоз'ского, Н. А. Махутовй, В. В. Москви-тева, С. В. Сухорукова, Ю. Г. Драгунова, В. П. Егорова, Н. Д: Соболева, Г. П. Черепанова, Д. Райса, Г. С. Писаренко, В. П. Науменко, Г. С. Волко-за и других.

Актуальность работ в области анализа напряженно-1еформированного и теплового состояния, прогнозирования зарождения и ад ста градин в головках блоков цилиндров определяется необходимостью совершенствования методов численного анализа и механики разрушения, использования их н& стадиях проектирования, форсирования и доработай фанспортНых дизелей. В этом случае работа сводятся к оптимизации геометрических параметров головки йгобеспечения прочности, разработке условий, препятствующих разрушению. Разрушение головок блоков цилиндров ведет к повышению финансовых расходов на приобретение новой готовки, комплектующих и их реМонт. В свою очередь, доводка головок с томощью тензометрйрования й'Тёрмометрирования также приводит боль-пим затратам й длительному сроку постановки новых двигателей в серийное производство. Разрушение головок является неисправимыми дефекта-пи дизелей и составляет 25 % от общего количества всех неисправимых дефектов.

Сущность научной проблемы заключается в обеспечении длительной механической прочности ответственных деталей дизелей, прогнозируемой т стадии проектирования, имеющей место в процессе их эксплуатации. Несмотря на накопленный опыт в разработке численных методов анализа

напряженно-деформированного состояния, существование различных ме тодов прогнозирования зарождения и роста трещин в сложных деталях, н существует единого комплексного метода, обеспечивающего всесторонне решение вопросов проектирования такой детали как головка блока цилин дров.

Цель исследований яаключяется в разработке комплексного метод; анализа напряженно-деформированного состояния и прогнозирования за рождения и роста трещин в головках блоков цилиндров, используемоп при проектировании, с учетом последующей доводки и дальнейшем форси рования транспортных дизелей.

Объектом исследований являются головки блоков цилиндров транс портных дизелей, работающих в условиях напряженно-деформированнои состояния и высоких температур.

Научная новизна исследований заключается в разработке и использо вания комплексного метода прогнозирования зарождения и роста трещи] на основе методов численного анализа напряженно-деформированного со стояния и механики разрушения при возможном разрушении головок бло ков цилиндров.

Практическая ценность работы заключается в обосновании и разра ботке:

- метода конечных элементов исходя из четвертой (энергетической теории прочности для нахождения напряженно-деформированного состоя ния головки блока цилиндров от тепловых и механических нагрузок;

- использования критерия трещиностойкости на основе энергетиче ского интеграла Черепанова - Райса для нахождения компонент вектор; потока энергии;

- разработкой программного обеспечения и использования его ) практике проектирования дизелей.

Достоверность выполненного исследования, подтверждается исполь зованием математического аппарата, современных методов анализа на пряженно-деформированного состояния головок транспортных дизелей проведением стендовых исследований температурного и напряженного со стояния транспортных дизелей ОАО "Барнаултрансмаш", использование» современной измерительной аппаратуры и методов обработки результате] испытаний.

Апробация работы. В период с 1994 по 1997 год основные результата исследований докладывались на ежегодных научно-технических конферен циях и семинарах кафедры ДВС АлтГТУ им. И. И. Ползунова (г. Барнаул) на конференциях по проблемам совершенствования ДВС в городах Mockbi (МВТУ, МИФИ), Санкт-Петербурге (С-ПбАГУ), Тюмень (ТТГУ), Тольят ти, Дмитрове.

Публикации. Основное содержание работы отражено в 14 печатны: работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из вве дения, пяти глав, выводов, заключения. Работа содержит 180 страниц

включая 13 таблиц, 102 рисунка, список литературы включает 147 наименований.

Автор искренне благодарит Э. И. Бургсдорфа, Б. А. Дурыманова, оказавших существенное влияние на формирование направлений исследований, принимавших непосредственное участие в проведении исследований и реализации их результатов.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, ее научная новизна, .трэде*, ретовщ.^'в^адлений, совершенствования методов прогнозирования зарождения д рюста трещин в условиях термонапряженно-деформированного состояния головок'цшшн^ров.

В первой главе проанализированы основные направления исследований в области, определения напряженно-дёфЪрм^ованного состояния готовок блоков цилиндров транспортных дизелёи, проблемы прогнозирования зарожден™ и роста трещин.

На основе публикаций в литературных источниках по исследованиям отказов дизелей, результатов актов дефектовки За последние 15 лет в ОАО "Барнаултрансмаш" отмечено, что исхода из общего числа отказов, разрушение головок занимает 9'%. Разрушение происходит в связи с образованием трещин и невозможности дальнейшей эксплуатации дизеля без ремонта и замены головки, гак как разрушение головок относится к неисправимым дефектам и занимает 25 % от общего числа неисправимых дефектов. В связи, с чем возникает проблема выяснения причин разрушения, разработке подходов к оценке напряженно-деформированного и теплового состояний, критерия трещиностойкости на основе чисЛённых методов ана-пиза.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям головок блока цилиндров транспортных дизелей, накладывают определенные ограничения на выбор метода решения и расчетные предпосылки задачи, так как головка блока цилиндров транспортных дизелей работает в условиях переменных нагрузок.

В связи с этим определены основные этапы расчета на прочность головок блоков цилиндров, включающие:

- определение напряженно-деформированного состояния;

- выбор места положения, формы и размера наиболее опасного тре-щинонодобного дефекта;

- выбор критерия локального разрушения на фронте трещин.

Развитие направлений анализа напряженно-деформированного состояния связано с использованием различных методов, таких как: вариационные методы, дискретные методы, метод граничных элементов, метод суперэлементов, метод макроэлементов, метод граничных интегральных уравнений, метод конечных элементов.

' Дальнейшее развитие эти методы получили при использовании накопленного экспериментального и теоретического материала на основе критериев локального разрушения, в Ъснову которых положены: "энергетический" подход Гриффитса, "силовой" подход Ирвина.

Проведен анализ существующего программного обеспечения для расчета напряженно-деформированного состояния и прогнозирования Зарождения и роста трещин в головках блоков транспортных дизелей. Определен ряд требований, предъявляемых к разрабатываемому пакету прикладных программ.

Во второй главе приведены основные положения формирования математического метода конечных элементов, моделирования напряженно-деформированного состояния на основе и с учетом концентраторов напряжений в головках блоков цилиндров транспортных дизелей. Даны рекомендации по подготовке моделей головок блоков цилиндров и схем на-гружения, подготовке исходных данных для обеспечения работоспособности программного комплекса. Приведена модель и схема нагружения, результаты расчета напряженно-деформированного состояния головки блока цилиндров дизеля 10415/15.

Анализ напряженно-деформированного состояния головки блока цилиндров производился посредством применения четвертой (энергетической) теории прочности, в основу которой положен принцип стационарности потенциальной энергии системы. Согласно этому принципу решение задачи теории упругости предполагает минимизацию функционала полной потенциальной энергии:

П = (У-IV (1)

Проведя дискретизацию конструкции (разбиение на конечные элементы и выделение узловых точек), условие стационарности функционала полной потенциальной энергии записывается в следующем виде:

^ =0 („г = и,...,лО ■ (2)

° о 1„

Для каждого конечного элемента деформации находятся с помощью соотношений Коши. Напряжения внутри элемента находятся посредством физических соотношений закона Гука,

В результате минимизации функционала потенциальной энергии элемента, формула для вычисления матрицы жесткости в локальной системе координат для задачи растяжения и сжатия, представлена как:

[кп]=1А{ВВ][1)1вв\1У (3)

Матрица жесткости элемента в локальной системе координат для из-гибной задачи получена как:

(I

\\<1А

А

£ V. 2

Г4)

.... ^Перевод локальной матрицы жесткости, к глобальной, в общей системе координат в анализе трехмерных конструкций, элементы которых цмеют различную ориентацию, возможен, как: '

- [кп}-Шкп\?Л : (5)

Апробирование метода конечных элементов и проверка расчетов велось на пластинах. Одновременно были проведены исследования погрешностей, которые могут быть получены во время расчетов.

Для проведения численного расчета методом конечных элементов, предварительно подготавливаются исходные данные, характеризующие геометрические параметры головки. Так как по различным цилиндрам статические, динамические и тепловые граничные элементы различны, а воздействие отброшенной части вносит значительные неточности по результатам расчетов, то головка должна рассматриваться в полном объеме, при этом увеличение вычислительных затрат компенсировать применением современных ЭВМ. В частности головка блока цилиндров дизеля 10415/15 заменялась на модель, состоящую из пластин расположенных в пространстве: 4 горизонтальных, 7 фронтальных, 23 профильных. Толщина и количество гвдастин определялась расстоянием между предполагаемыми опасными сёчениями и их количеством. '' : '

При ¿Оставлении схемы нагружения, главными составляющими статического силового нагружения являлись силы, возникающие от затяжки: средних анкерных шпилек Рас-% 1520 Н, крайниханкерных шпилек Рак=5Ш0 Н, сшивных шпилек Рс=72920 Н, а также шпилек крепления форсунки. Усилие шпилек крепления форсунки в каждом расчёте менялось и составляло /><»-2344Öf 31550, 46880 Н, что адекватно моментам1-затяжки М=15, 20, 30 Нм. Остальные усилия возникают, вследствие сборки. Учет динамической составляющей - силы Pz-229620 Н, производился согласно схеме работы дизеля. Она попеременно прикладывалась в 1-2-4-5-3 цилиндрах, т. е., соответствии с принятым порядком работы блока. '>

Тепловые Составляющие граничных условий по нижней плите со стороны камер сгорания задавались, исходя из полученных экспериментальных данных и соответствовали частоте вращения коленчатого вала п= 1600, 2200, 2600 мин1. Температура конечных элементов, приходящихся на водные полости и наружные поверхности, соответствовала Тв=Тм-85 и 100° С. Температура конечных элементов в газовых каналах, соответствовала температуре выхлопных газов на соответствующем режиме. 1

Физические свойства материала задавались коэффициентом ПуасйОна v= 0,25, коэффициентом линейного расширения a=24,0*10s и модулем упругости £=0,7*105 МПа и 0,72*105 МПа, соответственно для немодефици-русмого и модифицируемого сплава.

' Схема нагружения головки, подвергнутой дискретизации, отличаег-ся от истинного нагружения в том плане, что силы прикладываются не по оси анкерных, сшивных шпилек и шпилек крепления форсунок, а к узловым точкам образующих отверстия. Причем значение силы разбивается на ко-

лшчесгво узлов.' Что касается силы Рг, значение разбивалось на количество / узлов. описывающих камеру сгорания.

При расчете напряженно-деформированного состояния, модель ( головки блока цилиндров фиксировалась по нижней плите, по стыку головка-блок. Фиксации прикладывались к узлам и учитывались по осям

' Анализ напряженно-деформированное состояния головки показал, что наиболее нагруженным' для головки является режим максимального крутящего момента при л=/б00 мин-1 (момент затяжки шпильки крепления форсунки М-15 Им), причем наиболее напряженным является перемычка : между шпилькой для крепления форсунки и впускным клапаном.

При М-20 Нм и М-30 Нм в третьем цилиндре, между шпилькой для крепления форсунки и впускным клапаном на всем диапазоне рассчитываемых частот «=-160012200, 2600 мин-', возникает концентратор напряжений, причем максимальные напряжения соответственно, преобладают При п-1600 мин ' и п-2600 мин-'.

Некоторые результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния головки блока цилиндров, дизеля 10415/15 в сравнения с экспериментальными данными, освещены в табл. 1 - 3 на с. 2527. Уменьшение статических напряжений От 2 до 6,5 % связано с некоторой неточностью разрабатываемой моделью головки блока цилиндров. Сравнение динамических напряжении, выявленных из численных расчетов и ^экспериментальным путем, . показали увеличение численных результатов расчета от 4,1 до 9,9 %. Это объясняется приложением силы Рг в плоскости фиксаций, что приводит к дополнительным возмущениям напряжений от фиксаций. Из численных расчетов выявлено, что наиболее сильное, от б до 9,9 %, расхождение зафиксировано при работе дизеля на максимальном крутящем моменте, а наименьшие, от 4,1 до 7,5 %, для номинального режима.

В третьей главе приведены основные положения метода прогнозирования зарождения и роста трещин в головках блоков цилиндров дизелей на основе использования энергетического критерия локального разрушения. Даны численные результат прогнозирования и зарождения роста трещин в головках блоков цилиндров дизеля 10415/15.

Для нахождения зависимости между у - поверхностной энергией и коэффициентами интенсивности напряжений К для трещин основных типов (нормальный разрыв, поперечный сдвиг, продольный сдвиг) используется меюд инвариантных интегралов.

Применяя энергетическую теорию криволинейных трещин к линейно-упругим телам в наиболее важном случае, когда Кш-0, а остальные коэффициенты интенсивности напряжений ЙГ; и Кп отличны от нуля, ректор потока энергии равен: ; ----. ■ '-.'-*=.

Отклонение трещины в своем развитии на угол в от первоначального положения в точке 0, влечет изменении величины потока энергии, расходуемой на такое развитие трещины, которая будет равна проекции век--ора / на направление роста трещины (рис. 1):

•/(©)=./.со8в-./,>т0 (7)

Критерий локального разрушения (угол распространения трещины) будет выглядеть:

0 = агсЩ

(8)

Связь Л - интеграла и коэффициентов интенсивности напряжений Ки Кп , Кт-0 для вектора потока энергии осуществляется через уравнения:

Рис. 1 Вектор потока энергии

Ж+1 8//

[к!

2 \

■ Л ///

^ Т ТУ

- /V ; Л и

А

[ИОО

+ Кп)р 05© -2 К]К„ зт ©]

(9)

(Ю)

Получив с помощью метода конечных элементов напряжения и перемещения у вершины трещины, можно найти компоненты вектора потока энергии в явном виде, при положительном (против часовой стрелки) обходе контура интегрирования:

УУ - Л . '114

"Л ,/л" "У

Л=1

с

IV-

3.1

¿Б \

<УхБх~С>:

. , С\

ху

ск

г

< сч су

\

ау-^сгхуЕ^

( .

сЬс

с!х+

■);

¿кх ф

+ СГхуБу

(12)

а1у

/

Поскольку' в ¡/. - интеграл1 Черепанова - Раиса входят члены того же торядка,,что и при вычислении матриц жесткости, определенные по методу сонечных элементов, то контур интегрирования выбирается проходящим

через точки интегрирования матриц жесткости метода конечных элемент« (рис. 2). ' ''

Х=Хг

Рис. 2 Контур интегрирования

Апробирование задачи прогнозирования зарождения и роста трещи велось на тех же пластинах, что и апробирование метода конечных эл ментов. Сопоставление численных результатов компонент вектора пото* энергии - Л, угла распространения трещины, коэффициента интенсивное! напряжений К], величины раскрытия трещины 8 производилось с даннь ми используемыми в литературе.

Так, расчет напряженно-деформированного состояния головки бл< ка, цилиндров транспортного дизеля 10415/15 показал, что концентрате напряжений при моменте затяжки форсунки М-20 и 30 Нм находится третьем цилиндре между шпилькой крепления форсунки и впускным кл; паном. Контур интегрирования вокруг концентратора напряжения для п ризонтальных и фронтальных плоскостей назначался по осевым линия перемычек 2-3 и 3-4 цилиндров, для профильных плоскостей контур ш тегрирования задавался по крайним точкам пластины.

Расчет компонент вектора потока энергии показал, что происходи зарождение и рост трещины от шпильки для крепления форсунки к вьпг скному клапану 3-го цилиндра, под углом 15° к вертикальной оси.

Моменты затяжки М~20 Нм и 30 Нм дают зарождение трещин и всем диапазоне рассчитываемых частот п~1600, 2200, 2600 мин-'.

В четвертой главе приведено описание разработанного программног комплекса для расчета напряженно-деформированного состояния и пр(

гнозирования зарождения и роста трещин в головках блоков транспортных дизелей. Приведены некоторые рекомендации, препятствующие зарождению и росту трещин в головке блока цилиндров транспортного дизеля

,.,. Рис. 3 Структурная схема пакета прикладных программ

Общий алгоритм прогнозирования зарождения и роста трещин в головках блоков цилиндров основан на последовательном использовании трех отдельных вычислительных процедур: численного расчета напряженно-деформированного состояния исследуемой головки; нахождения / - интеграла, направления роста трещин; преобразование сетки. После этого круг прохода процедур повторяется. Общий алгоритм прогнозирования заровдения и роста трещин в головках блоков цилиндров основан на последовательном использовании трех отдельных вычислительных процедур: численного расчета напряженно-деформированного состояния исследуемой головки; нахождения / - интеграла, направления роста трещин; преобразование сетки. После этого круг прохода процедур повторяется.

Архитектура пакета прикладных программ основана на сочетании объектно-ориентированного программирования и модульного принципа, что позволяет рассматривать каждый отдельный элемент как самостоятельный в составе всей конструкции. Причем для выполнения определенных вычислительных процедур на различных этапах общего расчета процесса используются одни и те же модули-подпрограммы, универсальные в рамках всего пакета или в более широком понятии, т.е. пригодные для создания пакета прикладных программ и решения других задач. Этот принцип дает возможность построить гибкую и легко модифицированную программу.

Структурная схема пакета прикладных программ представлена на рис. 3. Весь пакет состоит из семи основных частей: головной программы; управляющей программы; программы ввода, вывода и проверки исходных данных; программы расчета напряженно-деформированного состояния; программы расчета J - интеграла; программы преобразования конечно-элементной сетки и программы вывода.

Программный комплекс разработан на объектно-ориентированном языке С++Jor WINDOWS 95, отлажен на персональных ЭВМ с процессором Pentium 200.

С помощью созданного программного комплекса найдено напряженно-деформированное состояние головки блока цилиндров, исхода из различных силовых граничных условий с учетом теплового состояния, произведено прогнозирование зарождения трещин, выявлено направление роста трещин.

С целью обеспечения условий, препятствующих зарождению и ростг трещин в головках блоков цилиндров транспортного дизеля 10415/15 прорабатывались несколько вариантов локального изменения конструкщ» головки, а именно:

1.Увеличен размер А, высоты бобышки В под шпильками С для креп ления форсунки (рис. 4). С помощью данного локального изменения голов ки, удалось снизить напряжения по измеряемым экспериментальным точ кам от 5,9 до 12,6 % при статическом и от 6,7 до 15,3 % при динамическол нагружениях;

Рис. 4. Напряженно-деформированное состояние головки по 5-му цилиндру, при М=25 Нм и п=1600 мшг1.Увеличена на 3 мм высота Л бобышки В под шпильками С для крепления форсунки

Рис. 5.Напряженно-деформированное состояние головки по 3-му цилиндру, при М=25 Нм и п-1600ыт\л .Увеличен внешний размер Д прилива Р под шпильками С для крепления форсунки на 2 мм

121,5 ^113,! -145,1 '■„••110,.

3,14 '-41,1

2,15 ^ 1,18 .. 0.2 „._

-ел г^/ -з,2 # -0,5 МПа

Рис. 6. Напряженно-деформированное состояние головки по 3-му цилиндру, при М-25 Нм и п~1600тт1 .Увеличена жесткость прилива Р и серединной части камеры сгорания за счет увеличения ребра жесткости Е под шпильками С для крепления форсунки, путем увеличения радиусов Лт Из

на 15

2.Увеличение внешнего размера Д прилива Р под шпильки С ддя крепления форсунки (рис. 5). Снижение напряжений при статическом нагру-жении составило от 6,9 % до 20,7 %. При динамическом нагружении напряжения снизились от 7,1 % до 18,4%.

3.Увеяичение радиусов 1{] и йг ребра жесткости Е под шпильками С для крепления форсунки (рис. 6), оказалось наиболее эффективном, так как существенное уменьшение напряжений зафиксировано не только по отдельным измеряемым точкам, а снижен общий уровень напряжений. Снижение статических напряжений от затяжки анкерных сшивных шпилек и шпилек крепления форсунки произошло в среднем от'8,8% до 16, 5%, динамических - от 8,9% до 19,3%.

Эффективность увеличения радиусов Д/ и Яг ребра жесткости Е под шпильками С для крепления форсунки, оценивается так же и с точки применения на производстве. Так увеличение высоты А бобышки В непременно приведет к изменению длины форсунки, а увеличение внешнего размера Д прилива Р повлечет изменение теплоотвода в связи с уменьшением проходного сечения между приливом и впускным клапаном. С другой стороны увеличение радиусов ребра жесткости сглаживает поток охлаждаемой жидкости, что должно благоприятно сказаться на охлаждении.

Уменьшение статических и динамических напряжений по измеряемым экспериментальным точкам, можно проанализировать по табл. 1 и 3 на с.25, 27.

В пятой главе приводятся экспериментальные результаты исследования напряженно-деформированного и теплового состояния головки блока цилиндров дизеля 10415/15.

Цель экспериментальных исследований теплового состояния - анализ теплового состояния головки блока цилиндров и использования, данных эксперимента для численного анализа напряженно-деформированного состояния от тепловых нагрузок.

В задачу исследований теплового состояния входило:

1. Определение температуры головки в местах установки термопар:

- на поверхности камеры сгорания /-го, 5-го и 5-го цилиндров;

- в районе перепуска охлаждающей жидкости из блока в головку со стороны впуска и выпуска в плоскости газового стыка;

- на перемычке между цилиндрами в плоскости газового стыка;

- на седлах впускного и выпускного клапанов 5-го цилиндра.

2. Определение изменения температуры:

- головки от мощности;

- между седлами впускного и выпускного клапанов от мощности дизеля.

В качестве параметров, характеризующих, режим работы двигателя принимались, мощность и частота вращения коленчатого вала.

Кроме того, в ходе проведения эксперимента регистрировались основные оценочные параметры, такие как: температура выхода воды из блока; температура масла; температура выхлопных газов.

Результатами термометрирования явилось следующее:

1. Определен наиболее оптимальный, исходя из топливной экономичности, режим работы дизеля, обеспечивающий наименьший градиент и уровень температур головки блока цилиндров при Г«=5П*=100°С, <ран-31;

2. Построены прямолинейные зависимости температуры газов вблизи огневого днища камеры сгорания и головки в районе термопар, расположенных на перемычках, в районе перепускных отверстий воды, на огневой поверхности камеры сгорания и седлах от мощности дизеля. Обобщенный анализ показал сходимость результатов испытаний и данными, опубликованными в различных литературных источниках, что дает возможность использования результатов испытания в численных расчетах и моделирования тепловой напряжетюсти подобных головок блоков цилиндров;

3. Для каждой термопары, расположенной на седлах, в районе перепуска воды и огневой поверхности камеры сгорания построены зависимости от одновременного воздействия мощности и температуры газов вблизи огневого днища камеры сгорания, по которым можно судить о наиболее благоприятных режимах работы дизеля, а также о возможном разбросе температуры исходя из изменения мощности;

4. Выявлено, что на режимах номинальной мощности температура головки выше, чем на режимах максимального крутящего момента;

5. Построена температурное состояние головки, исходя из режимов работы, по которой можно судить о распределении температур в плоскости стыка головка-блок и градиенте температуры. Результаты исследований температурного состояния головки напрямую использованы в расчетах напряженно-деформированного состояния, вопросов прогнозирования зарождения и роста трещин, посредством задания температуры конечных элементов в нижней доске со стороны камеры сгорания.

Цель статического и динамического тензометрирования - выявление реальной картины напряженно-деформированного состояния методами статического и динамического тензометрирования в определенных условиях работы дизеля и выявление путей, обеспечивающих прочность головки при дальнейшем форсировании.

В задачу исследований входило:

1. Определение остаточных напряжений в отливках головок после их механической обработки и сборки;

2. Определение статических напряжений от затяжки гаек анкерных и сшивных шпилек, гаек шпилек крепления форсунок, от натяга резиновых уплотнений водоперепускных трубок и размерности по толщине колец газового стыка;

3. Определение динамических напряжений, возникающих при работе дизеля;

4. Исследование влияния режимов работы дизеля на прочность головки блока цилиндров;

5. Экспериментальная оценка напряжений и деформаций, исследуемых методами статического и динамического тензометрирования .головки блока цилиндров. < > • . . •

ЩЩ 104.204 ■вир 112.511 121 019 СЗ 129 427 Г~1 137 834

I-1 146 242

Г I 154.650 Г"~1'163 057 Г~1 171 465 СЗ,;179 873 I ] 188 280

сабеев

ЕЗ Щ5 096 ЕЭ 213 503' Р^Р 221.911 ПН 230.318

о.

СГ I

'■ж. с з:. ГГ

.1:1.00

Впуск

Рис. 9 Изменение температуры по всей головке блока цилиндров при Кш,м=539,66 кВт,/1=2600 мин4, Т«= 7У= 100° С, фап-П» ПКВ&о ВМТ

■ РЩ..103.763.. - , Ш2 .111-288, , Е~Н 118.813. .... Г~~1 126.338 СИЛ .133.863 Г~1 141.388 . ^ [Щ ,-148.913 , £ I I 156.438

I-1 163.963 |

I-1 171.488

а о ~ -г

о о . г, о

.179.013 Г~~1 186.538 ЕИЗ "394.063. Е23-201.588 209.113 216.638

100

300

500

700

900

1100

Впуск

Рис. 10 Изменение температуры по всей головке блока цилиндров при ¿V™,.,=264,24 кВт, я=1600 мшг', Т,=Т.ч-т° С, ^=31° ПКВ ж ВМТ '

В результате тензометрирования установлено, что: 1. Остаточные напряжения возникают в результате:

- кристаллизации сплава при отливке головки, ее термообработке и после механической обработки; . м >

- напрессовке направляющих втулок клапанов и заворачивании шпилек крепления форсунок;

2. Под опорами распределительных валов статические напряжения практически ошнптояьны;

3. Добиваясь наименьших напряжений в головке, необходимо варьировать если не толщину газового кольца, то хотя бы толщину* уплотнения по воде. Стандартный вариант уплотнения, не смотря на изменение момента затяжки гайки крепления форсунки, демонстрирует повышенные напряжения;

' V,

4. Изменение напряжений на перемычках, от растягивающих до сжимающих, характеризует несимметричность головки относительно продольной оси и неравномерность распределения напряжений от затяжки анкерных и сшивных шпилек;

5. Наибольшие суммарные остаточные напряжения и напряжения от толщины газового кольца и уплотнения по воде зафиксированы вблизи прилива под отверстие для крепления форсунки в верхней плите в зоне камеры сгорания;

6. Максимальные динамические напряжения зафиксированы в верхней плите, в районе камеры сгорания, на перемычке между впускными клапанами и отверстием под шпильку для крепления форсунки, при чем на режимах максимального крутящего момента эти напряжения превышают напряжения на режимах номинальной мощности;

140

120

я 100

с

5 80

ф"

^

i а 60

*

к

о. с 40

я

I

20

'„,,0

I & 1 1

I ____ }

--„ \Ч 1 1

Ч \ 1

ЩК

—;—_ г - —

ч ШР®

Е" Я я! в Ччч . ш

16

20

17

19

ЩЩ Динамические шш Статические

, ■ , Тензодатчики

•Рис. 1Г Изменение сул1марных остаточных IV статических напряжений исходя из 1 варианта толщины кольца газового стМ|ЙГ 'и'уплотнения по воде, атакже динамических напряжений при л-2600 мин-1, М= 15 Нм

7. Анализ напряжений, исходя из проведенного тензометрирования, показал, что наибольшие напряжения в головке возникают от статических напряжений (динамические значительно ниже), что дает возможность рассчитывать головку статически, учитывая напряжения возникшие динамических составляющих.

20Л

(О

■ с: г

.X

'О

£

о.

с л I

И- ••

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

16

19

э— N1600, М1,5 1- N2200, М1,5 >- N2600, М1,5 к- N1600, М2,0 Ь- N2200, М2.0 I- N2600, М2,0 N1600, М3,0

к--' N2200, М3,0 I— N2600, МЗ,О'

2 20 17 \

Тензодатчики !

Рис. 12 Изменение суммарных остаточных, статических, динамических напряжений от затяжки исходя из 3 варианта тол тины.кольца газового стыка и уплотнения по воде, частоты вращения коленчатого вала и момента затяжки шпильки крепления форсунки

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Проведенный анализ, расчетные и экспериментальные результаты дают возможность сделать следующие выводы:

1. Для определения напряженно-деформированного состояния и концентраторов напряжений разработан численный метод - метод конечных элементов, в основу которого положена четвертая (энергетическая) теория прочности, что позволяет рассматривать вопросы прогнозирования зарождения и роста трещин исходя из принципа освобождения потенциальной энергии. Оценка работоспособности метода произведена на основе расчетов плоских пластин. Для учета погрешностей;;вычислений при определении напряженно-деформированного состояния определены требования к разрабатываемой модели головки. Даны рекомендации к разработке модели головки и схем нагружения. Описана подготовка исходных данных для применения разработанного программного комплекса. Проанализировано напряженно-деформированное состояние головки блока цилиндров транспортного дизеля 10415/15.

Некоторые результаты численного анализа напряженно-деформированного состояййя головки блока цилиндров, дизеля 10415/15 в сравнении с экспериментальными данными, освещены в табл. 1, 2, 3 на с. 25-27. Выявлено, что наибольшие статические напряжения возникают между Шпилькой крепления форсунки и впускным клапаном, при М-15 Нм и стандартным газовым кольцом и уплотнением по воде, напряжения в 3 и 5 цилиндрах соответственно достигли 117,952 МПа и 103,36 МПа. Наиболее опасны моменты затяжки форсунки М-20 Нм и 30 Нм. Суммарные статические и динамические напряжения также возникают между шпилькой крепления форсункй и впускным клапаном, и достигают для 3 и 5 цилиндра соответственно 140,416- 143,183 МПа при л=1600 мин1, 129,84-138,589 при л=2200 мин1, 134,915-135,498 при п=2600 мин1. При этом, общий уровень напряжений на порядок ниже; , ■ ; : - -

2. Применена теория инвариантных интегралов; что позволило сформулировать энергетический критерий трещиностойкости и разработать математическую модель для прогнозирования зарождения и роста трещин в головках бЛоКов цилиндров. Найдена взаимосвязь энергетического критерия трещиностойкости с коэффициентами интенсивности разрушения. Произведена оценка работошЬ'собйЬстк математической модели на' плоских пластинах. Произведено прогнозирование зарождений и роста трещин в головках блоков цилиндров дизеля 10415/15 с учетом форсировки.

3. Разработан программный комплекс, позволяющий определять напряженно-деформированное состояние и прогнозировать зарождение и рост трещин в головках блоков цилиндров.

4. Прогнозирование зарождения и роста трещин в головке блока цилиндров дизеля 10415/15, позволило определить концентраторы напряжений и их местоположение (между отверстием под шпильку для крепления форсунки и впускным клапаном), выявить направление развития трещины и дать конкретные рекомендации по изменению конструкции головки, которые заключаются в следующем:

4.1. Изменение материала конструкции на модифицированный - АК-12 с повышенным пределом усталости;

4.2. Изменение момента затяжки шпильки для крепления форсунки до минимально возможного - М-15 Нм;

4.3 Изменение конструкции головки в районе крепления форсунки:

4.3.1. Увеличение на Л мм высоты А бобышки В под шпильки С для крепления форсунки (рис. 4); / ,

4.3.2. При выполнении пункта 4.3.1. представляется возможность, поднятия шпилек С на 3 мм выше (рис. 4);

4.3.3. Увеличение внешнего размера Д прилива Р под шпильками С для крепления форсунки на 2 мм (рис.5);

4.3.4. Увеличение жесткости прилива Р и серединной части камеры сгорания за счет увеличения ребра жесткости Е иод шпильками С, путем увеличения радиусов и Дг на 15 мм (рис. 6).

:!i. Данные мероприятия дают возможность 'не только избежать возникновение трещин посредством уменьшения" напряжений (табл. 1, с.25 и 3; с. 27),но и позволяют повысить момент затяжки > шпильки для крепления форсунки, до М-25 Им. :;п: hl';,:.'.;'- ..у .'T-cL

5. Проведено экспериментальное определение теплового состояния головки блока цилиндров в зависимости от режима работы. Данные эксперимента использованы для численного анализа напряженно-деформированного состояния от тепловых нагрузок. > ^ : > ,

: * 6. Методами статического и динамического тензометрирования выявлен^ реальная картина напряженно-деформированного состояния в определенных условиях работыдизеля. ">v ■ ^

Определено, что наибольшие статические напряжения возникают между шпилькой для крепления форсунки и впускным клапаном. При М=\ 5 Нм и Стандартном газовом кольце и уплотнением по воде, напряжения в 3 и 5 цилиндрах соотвЬтсгвешю достигли 121 МПа и 108,8 МПа (табл. 1. с.25). Наиболее onacirw моменты затяжки форсунки М-20 и 30 Нм. Суммарные статические и динамические напряжения также! возникают между шпилькой для крепления форсунки и впускным клапаном и достигают для 5 и 5 цилиндра соответственно й/ -128 МПа при л=1600 мин1, 128,8 -120 МПа при ri-2200 мин1, 128,8 -126,8 МПа при'и=2600мин-' (табл. 2, с.26). При этом в любом случае общий уровень напряжений на порядок ниже.

7. Результаты сравнения численного расчета и стендовых испытаний приведены в табл. 1-3 на с. 25-27.

Выявлено, что отличие численных расчетов и стендовых испытаний в сйтике составляет -2 -6,5 %, в дийамике +4,1+9.9 %. Мероприятия, принятые для устранения трещиностойкости головки позволили снизить напряжения в статике на 5,9-20,7%, в динамике на 6,7-19,3 %.

СНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Пензев В.Н., Залесов Е.А. Оценка трещиностойкости и ее программная реализация. Научное - техническое творчество студентов: Сборник тезисов докладов 54-й научно - технической конференции студентов, аспирантов и профессорско - преподавательского состава Алтайского Государственного технического университета. Часть 1/ Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та,

: 1996,- с. 131.

2. Дружинин В.А., Попович B.C., Пензев, В.Н. Применение механики хрупкого разрушения для прогнозирования зарождения и роста трещин в головках блоков цилиндров транспортных дизелей. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. Постоянно - действующий семинар/: С-ПГАУ, Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГАУ, 1997. с. 33-34. • -

3. Залесов В.А., Пензев В.Н.ГПогрешность метода конечных элементов. Совершенствование мощностных, экологических и экономических показателей ДВС. Материалы VI Международного научно- практического семинара/ Под ред. В. В. Эфроса. Владим. гос. ун-т, Владимир, 1997.-с. 22-24.

4. Пензев В.Н, Залесов Е.А. Статическое и динамическое тензомегриро-вание головки блока цилиндров транспортного дизеля 10415/15. Сборник статей автотракторного факультета Алтайского Государственного технического университета им. И. И. Ползунова/ Алт. гос. техн. ун-т. им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. унта, 1997. - с. 39-40.

5. Пензев В.Н. Применение в механике разрушения энергетического 3-интеграла, независящего от пути интегрирования, связь с коэффициентами интенсивности напряжений. Ежегодный сборник научных статей Ползуновского научно-учебного центра АлтГТУ им. И. И. Ползунова. Выпуск 1. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 1997. - с. 65-67.

6. Пензев В.Н. Применение критериев разрушения дая прогнозирования зарождения и роста трещин в головках блоков цилиндров. Двигатель -97. Материалы международной научно - технической конференции / МГТУ, Москва, 1997. - с. 52 - 53.

7. Пензев В.Н. Применение критериев разрушения для расчета на трещи-ностойкость головок блоков цилиндров дизелей. Сборник статей автотракторного факультета Алтайского Государственного технического университета им. И. И. Ползунова/ Алт. гос. техн. ун-т. им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 1997. - с. 33-34.

8. Пензев В.Н. Прогнозирование трещиностойкости деталей двигателя внутреннего сгорания энергетическим интегралом Черепанова-Райса с помощью метода конечных элементов. Совершенствование мощностных, экологических и экономических показателей ДВС. Материалы VI Международного научно - практического семинара/ Под ред. В. В. Эфроса. Владим. гос. ун-т, Владимир, 1997. - 28 - 29.

9. Пензев В.Н., Залесов Е.А. Применение энергетической теории прочности для оценки напряженно - деформированного состояния головок блоков цилиндров транспортных дизелей методом конечных элементов в плоско - пространственной постановке. Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей. Постоянно -действующий семинар/ С-ПГАУ, Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГАУ, 1997. с. 25-30.

10. Пензев В.Н., Залесов Е.А. Термометрирование головки блока цилиндров транспортного дизеля 10415/15. Сборник статей автотракторного факультета Алтайского Государственного технического университета им. И. И. Ползунова/ Алт. гос. техн. ун-т. им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 1997. - с. 41-43,

11, Попович B.C., Пензев В.Н. Конструктивные особенности головок блоков цилиндров транспортных дизелей, применительно к расчету напряженно-деформированного состояния. Улучшение эксплуатацион-fiiix показателей двигателей, тракторов и автомобилей. Постоянно -действующий семинар/ С-ПГАУ, Санкт-Петербург: Изд-во С-ПГАУ, 1997. с. 31-32.

12- Попович B.C., Пензев В.Н. Проведение термометрирования головки ' блока цилиндров транспортного дизеля 10415/15, Двигатель - 97. Материалы международной научно - технической конференции / МГТУ, Москва, 1997.-с. 55 - 56. !

13. Пензев В.Н., Залесов Е.А. использование результатов испытаний головок блоков цилиндров в численных расчетах МКЭ. Научное - техническое творчество студентов: Сборник тезисов докладов 55-й научно -технической конференции студентов, аспирантов и п^офессорско -преподавательского состава 'J&aftcKofо Государственного технического университета. Часть 2! Am. гос. техн. ун-т им. И. И.Ползунова. -Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 1998.'-c.2l. ;

14. Пензев В.Н., Залесов Е.А. разработка программного обеспечения для расчета напряженно-деформированного состояния и прогнозирования заровдения и роста трещин в головках блоков транспортных дизелей. Ежегодный сборник научных статей Ползуновского научно-учебного центра АлтГТУ им. И. И. Ползунова. Выпуск 2.- Барнаул: Изд-во Ал-тГТУ, 1998.- с. 68-75.

ОБОЗНАЧЕНИЯ.

[к,] - матрица жесткости головки, прошедшей дискретизацию;

число конечных элементов; П- фуккционад, полной потенциальной энергии; U - потенциальная энергия деформации конструкции; W - потенциальная энергия внешних сил; возможные перемещения узловых точек;

f\[fj- число степеней свободы; t - толщина конечного элемента; А- площадь конечного элемента; V - объем плоского элемента; [5]- матрица связи деформации и перемещений; Jd]- матрица упругости; [йВ] - матрица связи напряжений и деформаций; ^ j - матрица граничных условий; [Л] - матрица преобразования; О"- Напряжение; £ - деформация; loi, пм, ш - направляющие косинусы; у - поверхностная энергия, приходящаяся на единицу свободной поверхности тела; Ki - коэффициенты интенсивности напряжений; J - вектор потока энергии; 7* - компоненты вектора потока энергии; щ - компоненты внешней нормали у поверхности; - энергозатраты, приходящиеся на единицу площади вновь образующейся поверхности трещин; X=3-4v - плоская деформация £Z=0, x=(3-v)/(l+v) - плоское напряженное состояние az-0;

Таблица 1

Сравнение экспериментальных и численных расчетов, уменьшение статических напряжений при М= 15 Нм, стандартном газом кольце и уплотнении по воде

Численный расчет

Но датчика Эксперимент Базовая конструкция Увеличена на 3 мм высота А бобышек В Увеличен внешний размер Д прилива Р Увел ичена жесткость прилива Рн

под шпильками С под шпильками С серед,иннои части

для крепления фор- крепление форсунки камеры сгорания за

сунки, поднята на 2 мм счет увеличения

шпилька С для крепления форсунки на 3 ребра жесткости Е под шпильками С

мм для крепления фор-

сунки, путем увеличения радиусов Я1 и/2.2 на 15 мм

значение расхождение значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента

МПа МПа % МПа % МПа % МПа_^ %

2 3 2,88 - 3.5 2,759 -8,03 2,762 -7.9 2,736 -8.8

16 3 2,779 -2 2,685 - 10,5 2,69 - 10,3 2,66 •11,3

20 10,45 10,032 -4 9,52 -8,9 9,53 -8,8 9,399 -10,06

1 108,8 103,36 -5 94,435 -11,36 95,608 -12,1 93,85 - 13,7

17 121,6 117.952 -3 114,413 -5,9 113,252 -6,9 110,7.-57 -8,9

19 67,5 63,113 -6,5 59,011 - 12,6 53,559 -20,7 56,359 -16,5

Таблица 2

■; *

Сравнение экспериментальных и численных расчетов динамических напряжений при М=15 Нм, стандартном газом кольце и уплотнении по воде

№ датчика Эксперимент Численный расчет

п= Ц00 мин1 п= 2200 мин-1 п=2600 мин-1 п= 1600 мин-' п=2200 мин1 п=2600 мин-1

значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента

МПа МПа МПа МПа % МПа % МПа %

2 -- 5,1 4,2 4,2 5,483 + 7,5 4,423 + 5,3 4,406 + 4,9

16 4,5 3.9 3,9 4,77 + 6 4,072 + 4,4 4,06 + 4.1

20 12,25 11,35 11,35 13,255 + 8,2 12,042 + 6,1 11,986 + 5.6

1 128 120 126,8 140,416 + 9,7 129,84 + 8,2 134,915 + 6,4

17 131 128,8 128,8 143,183 + 9,3 138,589 + 7.6 135,498 + 5.2

19 83.7 81 81,3 90,563 + 9.9 88,371 + 9,1 87,398 + 7.5

Таблица 3

Уменьшение динамических напряжений после изменения конструкции головки при М= 15 Нм, п=1600 мин-', стандартном газом кольце и уплотнении по воде

Численный расчет

№ дат- Увеличена на 3 мм высота А бобы- Увеличен внешний размер Д Увеличена жесткость прилива Р

чика шек В под шпильками С для крепления форсунки, поднята шпилька С для крепления форсунки на 3 мм прилива Р под шпильками С крепление форсунки на 2 мм и серединнои части камеры сгорания за счет увеличения ребра жесткости Е под; шпильками С для крепления форсунки, путем увеличения радиусов Я1 и Ё2 на 15 мм

значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента значение отличие от эксперимента

МПа % МПа % МПа %

2 4,672 -8,4 4,626 -9,3 4,498 -11,8

16 4,199 -6,7 4,181 -7,1 4,099 -8,9

20 10,805 - 11,8 10,707 - 12,6 10,473 -14,5

1 111,232 -13.1 113,5 - 14,5 106,88 -16,6

17 118,948 -9,2 117,376 - 10,4 113,97 -13

19 70,894 -15,3 65,3_ - 18,4 67,546 - 19,3

Подписано в печать 1998 г формат 60x84 1/16

Отпечатано на ШСОЫ. Усл. п.л.2. Тираж 100 экз. Заказ ^ ('/

Издательство Алтайского Государственного технического университета им. И. И. Ползунова, 656099, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46.

Отпечатано в типографии Алтайского Государственного технического университета И. И. Ползунова, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46