- •Глава 1
- •Глава 2
- •2.3. Принципы уравнорешивания пространственных коленчатых валов
- •Глава 3
- •Глава 4
- •4.3. Расчетная оценка работоспособности элементов газового стыка
- •Глава 5 поршневая группа
- •Глава 6 шатунная группа
- •Глава 7 коленчатый вал
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Глава 10 смазочная система
- •10.3. Схемы смазочных систем
- •Глава 11 система охлаждения
- •11.2. Регулирование производительности системы жидкостного охлаждения
- •113. Конструкция радиаторов
- •Глава 12 система воздухопитания
- •Глава 13 система выпуска
- •Глава 14 система пуска двигателей
- •Глава 15
- •Глава 1. Кивематика я динамика кривошиино-шатуиного механизма ... 5
- •Глава 2. Уравновешенность я уравновешивание двигателей внутреннего сгора-
- •Глава 5. Порпневая груша 121
- •Глава 6. Шатунная груша 155
- •Глава 7. Коленчатый вал 170
- •Глава 8. Колебания в двмателях внутренвего сгорания 185
- •Глава 9. Механзм газораспределения 221
- •Глава 10. Смазочная система 272
- •Глава 11. Система охлаждения * 293
- •Глава 12. Система воздухопитаип 324
- •Глава 13. Система выпуска 355
- •Глава 14. Система пуска двигателей 379
- •Глава 15. Принципы подбора двигателя внутреннего сгорания для транспортного средства 386
ОСНОВЫ
КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ К РАСЧЕТУ
ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ ДВИГАТЕЛЮ
Проектирование
двигателя является сложным процессом,
при котором специалистам приходится
решать комплекс проблем, связанных
с удовлетворением требований, определяемых
назначением двигателя и условиями его
эксплуатации. Для создания
высокопроизводительной, экономичной
в эксплуатации и экологически чистой
транспортной, дорожно-строительной и
сельскохозяйственной техники
автотракторные двигатели должны
обеспечивать:
высокую
надежность в разнообразных эксплуатационных
условиях;
необходимые
энергетические и экономические
характеристики на всех режимах работы;
нормативные
экологические параметры двигателя;
хорошие
пусковые качества;
легкость
управления и автоматизацию работы;
простоту
технического обслуживания и ремонта;
минимум
эксплуатационных затрат.
Одной
из основных эксплуатационных характеристик
двигателя является его надежность,
поскольку с ее уровнем напрямую связаны
затраты на поддержание работоспособности
и расходы, вызванные простоем машины
из-за отказов энергетической установки.
Под
надежностью
понимают свойство объекта сохранять
работоспособность на установленном
уровне эксплуатационных показателей
при заданных условиях его эксплуатации
и ремонтов в течение требуемого
промежутка времени и (или) требуемой
наработки.
88Глава 3
ВЫБОР
ТИПА И ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ
Основополагающим
документом при разработке энергетической
установки машин,
определяющим идеологию ее конструкции,
является техническое
задание.
В нем оговариваются назначение, условия
жсплуатации и моторесурс двигателя, а
также его энергетические, жономические,
экологические и весогабаритные
характеристики.
На
выбор типа
двигателя
решающее влияние оказывают назначение
и условия эксплуатации двигателя, а
также заданные уровни его экономических
(эксплуатационный расход топлива) и
экологических (эмиссия токсических
компонентов и уровни шума и вибраций)
показателей. При этом исходят из того,
что дизели по сравнению с ДсИЗ обеспечивают
существенно более низкие (до 40%)
эксплуатационные расходы топлива,
имеют меньший исходный уровень
выхода токсических компонентов, менее
критичны к номенклатуре используемых
топлив. Их основные недостатки: большие
удельная масса и габаритный объем, а
также высокие уровни шума — в значительной
мере нивелируются возможностью
использования наддува в широком спектре
эксплуатационных режимов. К
достоинствам ДсИЗ следует отнести
почти вдвое меньшие удельную массу и
габаритный объем (по сравнению с
безнаддувным дизелем). В связи с
отмеченным дизели в настоящее время
являются основным типом энергетической
установки для грузовых автомоби- ией,
автобусов, тракторов и дорожно-строительных
машин. Двигатели с искровым зажиганием
устанавливают преимущественно на
негковых автомобилях, у которых
достоинства связаны с их хорошими
массогабаритными показателями. Вместе
с тем следует отметить расширение
применения дизелей и на легковых
автомобилях, особенно на такси.
Последующие
стадии разработки двигателя начинаются
с выбора способа получения комплекса
основных исходных показателей
проектируемого двигателя, таких, как
номинальная мощность N„;
удельная
масса gN
и
габаритный объем двигателя VT.
Требуемое
сочетание заданных параметров возможно
получить, иарьируя значения рабочего
объема двигателя iVh,
номинальной
частоты вращения коленчатого вала
двигателя лн,
среднего эффек-
ивного
давления рс
с учетом технических возможностей и
экономической целесообразности их
реализации.
Номинальная
мощность двигателя при прочих равных
условиях пропорциональна его рабочему
объему. Однако с увеличением iVk
существенно
возрастают габариты и масса конструкции,
повышается расход топлива. В связи
с этим за последние десятилетия
определилась тенденция повышения
энергетических показателей
89
и
снижения металлоемкости конструкции
двигателя путем форсирования его
по Лном и ре.
Увеличение
номинальной частоты вращения коленчатого
вала двигателя приводит к пропорциональному
росту номинальной мощности, но при
этом соответственно увеличиваются
инерционные нагрузки на элементы
двигателя (~ «£»,), ухудшаются экономические
показатели двигателя и сокращается
ресурс за счет роста с„~пном,
а также возрастает эмиссия токсических
компонентов и шумность его работы.
Пределы форсирования по частоте вращения
дизелей ограничиваются возможностями
организации эффективного протекания
процессов смесеобразования и сгорания,
а также допустимым уровнем инерционных
нагрузок на его элементы. Вследствие
этого практически для всех типов
двигателей различных транспортных
средств установились рациональные
уровни предельных значений ПноМ.
Форсирование
двигателя по pt
достигается
главным образом применением наддува.
Этот способ позволяет получить заданную
Nn
при
относительно невысоких ЛнОМ.
Практическая возможность его использования
в ДсИЗ ограничивается ухудшением при
этом экономических и экологических
характеристик двигателя и применяется
в основном кратковременно на форсированных
режимах его работы. Широкое использование
наддува в дизелях объясняется
благоприятным его влиянием на характер
протекания процессов смесеобразования
и сгорания и, как следствие этого,
улучшением экономико-энергетических
и экологических характеристик двигателя.
Увеличение ре
при наддуве практически пропорционально
степени повышения давления я,, значение
которой ограничивается в основном
допустимым уровнем тепловой и механической
нагружен носги элементов двигателя
и трудностями обеспечения заданного
его ресурса.
Количество
цилиндров двигателя определяется
рациональным рабочим объемом цилиндра
Vh
и
соотношением его геометрических
параметров S
и
D
с
точки зрения возможности организации
эффективного протекания в нем
рабочего процесса.
Основная
масса автотракторных дизелей, выпускаемых
промышленностью, имеет диаметр
цилиндра, находящийся в диапазоне
100... 140 мм. При меньших диаметрах цилиндра
ухудшаются условия смесеобразования
и сгорания из-за снижения интенсивности
движения воздушного заряда, а при
больших возрастают тепловые и механические
нагрузки на головку цилиндра и поршень.
В
ДсИЗ максимальное значение диаметра
цилиндра ограничивается детонацией,
вероятность возникновения которой
повышается
90
с
увеличением расстояния от электродов
свечи до наиболее удаленных объемов
топливовоздушной смеси. Ввиду этого
диаметр цилиндра ДсИЗ не превышает,
как правило, 105 мм.
При
выбранном D
ход
поршня S
определяется
коэффициентом короткоходности k=S/D.
С
увеличением количества цилиндров
улучшается равномерность хода
двигателя, облегчается пуск, уменьшается
масса маховика. Вместе с тем увеличение
количества цилиндров приводит к
усложнению конструкции и росту затрат
на обслуживание в эксплуатации
двигателя.
При
отмеченных выше диаметрах цилиндров
на средних, большегрузных автомобилях
и автобусах устанавливают преимущественно
шести- и восьмицилиндровые двигатели.
Для легковых автомобилей в большинстве
случаев применяют четырехцилиндровые
двигатели.
При
определенном числе цилиндров решающее
влияние на габариты, геометрический
объем и уравновешенность двигателя
оказывает способ их компоновки. Для
автомобильных и тракторных двигателей
преимущественное распространение
получили компоновочные схемы с
расположением цилиндров в один (линейные
двигатели) или два (V-образные
ДВС) ряда с различным углом у
между осями цилиндров
левого
и правого рядов.
Среди
четырех- и шестицилиндровых двигателей
преобладают модели с однорядным
расположением цилиндров.
Двигатели, выполненные по подобной
схеме, хорошо компонуются как на
автомобилях с кабиной за двигателем,
так и на автомобилях с кабиной над
двигателем. Они имеют достаточно простую
конструкцию блок-картеров и удобны для
обслуживания в процессе эксплуатации.
Значительно
реже применяют шестицилиндровые
двигатели с V- образным расположением
цилиндров. Одним из препятствий к
применению таких двигателей является
неравномерность чередования рабочих
ходов при наиболее распространенном
угле развала цилиндров 90°. Исключение
составляют рассматриваемые двигатели
со смещенными шатунными шейками
коленчатого вала для каждой нары шатунов
смежных цилиндров. Ппи этом достигается
равномерное чередование рабочих
процессов отдельных цилиндров, но
усложняется конструкция коленчатого
вэда.
В
двигателях с количеством цилиндров
восемь и более применяют исключительно
V-образное
расположение цилиндров.
Достоинством
V-образных
двигателей по сравнению с однорядными
той же мощности является уменьшение
удельной массы двигателя, его
габаритных размеров (длины и высоты)
и, как следствие, повышение жесткости
блок-картера и коленчатого вала.
91
При
конструировании V-образных
двигателей особое внимание уделяют
выбору угла развала цилиндров у,
от значения которого зависят
уравновешенность двигателя, равномерность
его хода и габаритные размеры.
Одним
из важных аспектов при проектировании
двигателя является выбор его системы
охлаждения, которая в значительной
мере определяет его конструкцию и
эксплуатационные свойства.
Несмотря
на простоту и более высокую надежность
в эксплуатации, системы воздушного
охлаждения находят ограниченное
применение главным образом на транспортных
двигателях малой мощности из-за главного
своего недостатка: невозможности
эффективного обеспечения теплоотвода
от головок цилиндров и поршней двигателей
при их форсировании наддувом.
Поэтому
с учетом сложившейся в мировой практике
тенденции повышения удельных мощностных
и экономических показателей двигателей
за счет форсирования рабочего процесса
преимущественное распространение
получила система жидкостного охлаждения,
которая обеспечивает стабильное
тепловое состояние двигателя в
широком диапазоне скоростных и
нагрузочных режимов его эксплуатации.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК И РЕЖИМОВ
Во
время работы двигателя механические
нагрузки на детали двигателя вызываются
силами давления газов Рг,
силами инерции поступательно движущихся
и вращающихся масс Pj,
силами
трения, также упругими колебаниями,
развивающимися в результате переменности
и периодичности действующих сил. В
элементах двигателя имеют место также
термические напряжения, возникающие
в том случае, если по объему детали
имеется градиент температур.
При
расчетах деталей двигателя на прочность
основными нагрузками являются силы
давления газов Рт
и инерционные силы Pj.
Эти
силы на большинстве эксплуатационных
режимов работы двигателя взаимно
уравновешивают друг друга, поскольку
они достигают максимальных значений
практически одновременно при положении
поршня в ВМТ в начале хода расширения
и при этом противоположно направлены.
За-расчетные
режимы выбирают наиболее тяжелые из
эксплуатационных, а именно такие
режимы, при которых одной из действующих
сил можно пренебречь. К ним можно
отнести:
режим
пуска (когда происходит первая вспышка);
92
режим
максимального крутящего момента MxmuL
при
частоте нращения л*;
режим
максимальной частоты вращения
коленчатого вала при холостом ходе.
Первые
два из указанных режимов характеризуются
максимальным значением силы давления
газов (Ргтм),
нагружающей детали двигателя. При
расчетах на этих режимах действием сил
инерции пренебрегают.
На
третьем расчетном режиме силы инерции
достигают наибо- иыиих
значений, а давление газов незначительно.
Для дизелей максимальная частота
вращения холостого хода л1ГШ11=(1,05...
1,07)лиом
и определяется работой регулятора. Для
двигателей с искровым (ажиганием без
ограничителя частота вращения принимается
«и ты=(1,4...
1,6)лном,
а с ограничителем частота вращения
пктлх=
=
(1,1...1,15 Ком.
Расчет
теплового и напряженно-деформированного
состояния деталей по дефектам,
проявляющимся на длительном периоде
эксплуатации (усталостные поломки,
износ и т. д.), производится на наиболее
характерном эксплуатационном режиме
работы. В качестве такового для
автотракторных двигателей принимается
режим номинальной мощности jVeHOM
при
частоте вращения коленчатого
IlilJIfl.
/2ноМ.
РАСЧЕТ
ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ С УЧЕТОМ
ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК
Многие
детали двигателя (коленчатый 'вал,
шатун, поршневой налец и др.), работающие
в условиях циклически изменяющихся
нагрузок, разрушаются при максимальных
напряжениях, намного меньших предельно
допустимых при их статическом нагружении.
11ричиной
этих разрушений является усталость
материала.
Усталость
материала
— это явление разрушения детали при
воздействии на нее большого числа
повторно-переменных нагружений.
Особенностями усталостных разрушений
являются:
внезапность
проявления, минующая стадию пластических
деформаций;
поломки
происходят в местах концентрации
напряжений;
предельно
допустимые напряжения определяются
не только гнойствами материала и
конфигурацией детали, но зависят и от
характера циклов напряжений.
Циклом
напряжений
называют совокупность всех значений
переменных напряжений за один период
процесса их изменения (рис. » »)■
93
о
Цикл
Общим
случаем цикла напряжений является
асимметричный
цикл.
Каждый из их совокупности характеризуется
максимальным а
минимальным
gmir
и
средним ст-=(а*.,+напряжениями
цикла, а также амплитудой а„—(<т„„
— <т„;я)/2
и коэффициентом асимметрии цикла
r=a^,Jc
Экстремальные напряжения
цикла
и Стпш соответственно равны: <ттах=ст|П+стя;
(7mill=o'),-(r„.
Наиболее
характерными частными случаями
асимметричного цикла являются цикл
симметричный
(ат=0,
ст„=<т„;„= — г= — 1)
и цикл статического
нагружения
(сто=0, = г= 1).
При
расчете на прочность под действием
циклически изменяющихся во времени
нагрузок за предельно допустимое
принимается напряжение, называемое
пределом
выносливости.
Предел выносливости а,
определяется как максимальное напряжение
в циклах с одинаковым коэффициентом
асимметрии г, которое может выдержать
металл без разрушения при заданном
числе (обычно 10
) циклов нагружения.
Наиболее
опасным для усталостных разрушений
является симметричный цикл. Этот
цикл по сравнению с другими циклами
имеет наибольшую амплитуду при одинаковых
значениях <т„„.
Влияние
коэффициента асимметрии г на предел
выносливости может быть установлено
по диаграммам предельных амплитуд
(рис. 3.2), полученных по результатам
экспериментальных испытаний
цилиндрических образцов. Эта диаграмма
строится в координатах оа—от
и характеризует зависимость предельных
амплитуд цикла от значения коэффициента
асимметрии.
На
диаграмме предельных амплитуд точка
А
соответствует пределу выносливости
при симметричном цикле «т_ь
точка D
—
пределу текучести <гт,
а точка V
— пределу прочности при постоянной
нагрузке — аъ.
Луч, проведенный из начала кбординат
через точку N
с
координатами са
и о„,
является геометрическим местом точек,
соответствующих всей возможной
совокупности циклов
94
Рис.
3.2. Диаграмма предельных амплитуд
с
одинаковым коэффициентом асимметрии
г, так как tgy=ajam—
(l-r)/(l+r).
Сумма
координат этой точки равна максимальному
рабочему напряжению цикла
Предельная
амплитуда для цикла с заданным
коэффициентом асимметрии находится
на пересечении продолжения луча ON
с
кри- ной диаграммы (точка В),
а предел выносливости а,
— как сумма координат этой точки:
аг—ааг+атг.
Для
деталей из пластичных материалов опасен
не только факт разрушения, но и
возникновение остаточных деформаций,
т. е. проявление текучести. Поэтому из
области, ограниченной линией А
V,
все точки которой соответствуют циклам,
безопасным в отношении усталостных
разрушений, выделяют зону, соответствующую
циклам с максимальными, напряжениями,
меньшими предела текучести. Для
этого из точки D
проводят
прямую под углом 45° к абсциссе до
пересечения с линией AV
в
точке С. Точки, нежащие выше
линии
CD,
будут
соответствовать циклам с максимальными
напряжениями,
превышающими предел текучести (стш„><тт).
Таким образом, циклы, безопасные в
отношении уста- ностного разрушения и
возникновения текучести, расположены
н
области
OACDO.
В
принципе
участок диаграммы АС
криволинейный, однако для практических
расчетов возможно схематизировать
диаграмму предельных амплитуд (рис.
3.3). Для этого кривая АС
вменяется
прямой, проходящей через точку А
до пересечения с линией CD.
Луч
ОС
делит диаграмму на два участка: слева
находятся нее циклы, для которых
прочность лимитируется пределом
выносливости аг
(участок
I),
справа — пределом текучести <хт
(участок
II). Положение
разделительного луча определяется
углом уТ,
тангенс которого
95
ffT
tgyt= ■
Для
произвольного асимметричного цикла,
имеющего tg
у=
=ajam,
если
tg
у
> tg
ут,
прочность лимитируется пределом
выносливости, в противном случае —
пределом текучести.
Рассуждения
о построении диаграммы, проведенные
для циклов нормальных напряжений,
применимы для циклов касательных
напряжений (при кручении); при этом
в приведенных формулах изменяются
обозначения (т. вместо с,
и т. п.).
Напряженное
состояние деталей двигателя при
переменных нагрузках для циклов,
принадлежащих участку /, принято
оценивать запасом прочности л, по
пределу выносливости, под которым
понимают отношение предельно
допустимого напряжения а,
(тг)
к максимальному действующему о,—
(х—):
П.
= 0т10тх,
fl%
а
принадлежащих участку II
— запасом прочности л1
по пределу текучести, который представляет
отношение предела текучести <гт(тт)
к максимальному действующему касательному
напряжению
®ШИ
(Тщм)-
Лта
=
<7Т/Лтг
=
Тт/Тццх.
Наиболее
просто запас прочности для циклов,
находящихся в I зоне диаграммы — и»
(л,) определяется в случае симметричного
цикла изменения напряжений, так как
пределы выносливости материала <т_!
(t_i)
при
таких циклах обычно известно:
96
па
ff-i/^в»
Щ
t_i/тл.
Для
расчета запасов прочности по пределу
выносливости п„
асимметричных циклов обычно пользуются
процедурой приведения асимметричного
цикла к эквивалентному симметричному.
Произвольный асимметричный цикл с
коэффициентом асимметрии г считают
эквивалентным симметричному с амплитудой
(см. рис. 3.3) л“ъ=оа+аав„,
где aff=tg
<р
—
коэффициент приведения заданного
асимметричного цикла к эквивалентному
симметричному. Коэффициент аа
зависит только от свойств материала.
Тогда запас прочности для асимметричного
цикла будет равен
°-\
Л«г
= •
Аналогично,
для касательных напряжений:
Ит=
Та
+ ВтЕт
Из
диаграмм предельных напряжений получено
выражение для tanaca
прочности
без учета концентрации напряжений,
вызываемых наличием в деталях резких
изменений ее формы, абсолютных размеров
и качества обработки поверхности.
Влияние на запас прочно- с ги
вышеперечисленных факторов для
конкретной детали учитываем гея
эффективным коэффициентом концентрации
напряжений К„
(Кт),
масштабным фактором £„
(е') и технологическим фактором
Эффективный
коэффициент концентрации напряжений
Кс(К^
представляет
собой отношение предела выносливости
образца при нагружении его симметричным
циклом в случае отсутствия в нем
концентрации напряжений к пределу
выносливости образца тех же размеров,
но при наличии в нем концентрации
напряжений.
Масштабный
фактор е'п
(е') равен
отношению пределов вынос- иивости при
тех же условиях нагружения натурной
детали и гладких образцов диаметром
7... 10 мм, изготовленных из того же металла,
ч го и деталь.
Технологический
фактор б"(е")
представляет
собой отношение предела выносливости
образца с поверхностной обработкой,
аналогичной обработке детали, к
пределу выносливости полированного
стандартного образца.
С
учетом влияния концентрации напряжений,
размера и качества обработки поверхности
детали выражение запаса прочности при
97
расчете
по пределу выносливости для нормальных
напряжений имеет вид
0-1
пв=— ,
для
касательных напряжений
_ Т-1
”*
(лУ«>«+вЛи
При
сложном напряженном состоянии (при
совместном действии переменных
касательных и нормальных напряжений)
напряженно-деформированное состояние
детали оценивается суммарным запасом
прочности
"а*
х
nL=-==.
МЕТОДЫ
РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
И ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ДВС
В
процессе работы в конструкции двигателя
имеют место изменяющиеся по объему
его элементов температуры, перемещения,
напряжения и другие факторы, определяющие
их напряженно-деформированное
состояние. Для определения этих факторов
необходимо математически описать
их связь с конструктивными параметрами
элементов, в которых они существуют.
Теоретически
данную задачу можно решать аналитически.
Однако практически этот путь
малопродуктивен вследствие сложности
аналитических моделей, описывающих
данное явление. Поэтому в настоящее
время при решении подобных задач
используются методы дискретного
моделирования, когда деталь сложной
конфигурации представляется системой
геометрически простых элементов, в
пределах которых связь между условиями
на их границе и характеристикой поля
описывается математически, а граничные
условия на «входе» идентифицируются
по аналогичным параметрам на «выходе»
соседнего элемента. Реализация данного
подхода требует большого объема
вычислительных работ и стала доступной
для практического использования в
результате развития современной
вычислительной техники.
98
Наибольшее
распространение в практике двигателестроения
получили методы конечных разностей
(МКР) и конечных элементов (МКЭ).
В
первом случае решают дифференциальные
уравнения с заданными граничными
условиями. Во втором случае (МКЭ)
минимизируется интегральная величина,
связанная с соответствующим
дифференциальным уравнением.
При
определении поля перемещений в системе
минимизируется потенциальная энергия
рассматриваемой системы. Для моделирования
распределения напряжений минимизируют
дополнительную работу системы. При
определении поля температур минимизируется
функционал, описывающий перенос теплоты.
При
использовании МКЭ анализируемую
непрерывно изменяемую величину в
детали двигателя (температуру, давление,
перемещение) аппроксимируют дискретной
моделью, которая описывается множеством
кусочно-непрерывных функций, определенных
на конечном числе подобластей —
элементов.
Совокупность данных элементов
формирует рассматриваемую систему.
Элементы в зависимости от их
конфигурации и типа задачи (одно-, двух-,
трехмерной) взаимодействуют между
собой в точках, по линиям и поверхностям.
Значения анализируемой величины
рассчитывают в конечном числе точек
(узлах)
рассматриваемой области дискретной
модели, а затем, используя известные
свойства кусочно-непрерывных функций
(функций формы, которые обычно задаются
в виде полиномов), находят значения
данной величины в любой точке элемента.
В
качестве элементов используют фигуры
достаточно простой формы, кусочно-непрерывные
функции, которые однозначно описываются
в элементе по их значениям в узловых
точках.
Исходя
из этого, при построении конечно-элементной
модели решается следующий комплекс
задач.
В
исследуемой детали задают конечное
число узловых точек. Они выбираются в
тех местах, в которых целесообразно
задать граничные условия, а также там,
где необходимо детально описать
конфигурацию детали или определить
исследуемую величину.
В
зависимости от размерности задачи и
от расположения узловых точек исследуемую
область разбивают на конечные элементы.
В качестве элементов могут выбираться
стержни для одномерной задачи;
балки, треугольники, четырехугольники
— для двухмерной; балки, тетраэдры,
призмы и т. п.— для трехмерной <адачи.
Выбор вида конечного элемента
определяется простотой «адания его
функции формы, гладкостью этой функции
и/или ее производных на границах при
переходе от элемента к элементу.
Цилиндрические детали в ряде случаев
можно рассчитывать в осесимметричной
(двухмерной) постановке. Степень
дискретизации
99
«густоты»
сетки из элементов определяется
необходимой точностью описания
геометрии детали, задания действующей
нагрузки, а также потребностью описания
изменения анализируемого
параметра в определенной области,
в которой, например, большие температурные
градиенты или напряжения. Обычно
исследователь обозначает контуры
разбиваемых областей детали, задает
степень их дискретизации и тип
используемых конечных элементов, а
препроцессор
конечно-элементного комплекса выполняет
разбивку этих областей автоматически
по специальному алгоритму.
Естественно
при повышении
размерности задачи и степени дискретизации
исследуемой детали растут требования
к возможной производительности
вычислительной техники, ее быстродействию
и объему памяти, алгоритмическим
возможностям используемых программных
комплексов, что определяет качество и
время расчетов.
В
узловых точках или на гранях элементов
задаются граничные условия в
зависимости от решаемой задачи:
перемещения,
Рис.
3.4. Температурное -поле (а)
и
минимальные главные напряже-
ния
поршня дизеля (б), полученные
с помощью
конечно-элементарной
модели (в)
100
силы,
давления (задачи теории упругости),
температуры, коэффициенты теплоотдачи
или тепловые потоки (тепловые задачи).
Производится
расчет анализируемой величины
относительно узловых точек и затем с
использованием функций формы элементов
рассчитываются распределения
перемещений, напряжений, температур,
которые обычно визуализируются
постпроцессором
конечно- шементного комплекса в
графической форме в виде изолиний или
изоповерхносгей в рассматриваемой
детали.
На
рис. 3.4 представлены конечно-элементная
модель, темпера-
урное
поле и напряжения поршня дизеля.
Использование
МКЭ при проектировании, исследовании
ДВС нее в большем объеме внедряется в
практику двигателестроения. Он
применяется для решения тепловых,
прочностных задач, исследования
колебаний деталей ДВС, задач динамики
жидкости и газа, а также акустики
двигателей. В последнее время для
решения последних трех задач начал
применяться метод граничных элементов
(МГЭ).
