Введение
Обзор ранее проведенных исследований и предложенных методик
определения напряженно-деформированного состояния шатуна
Требования, предъявляемые к качеству шатунной группы
Валидация конечно-элементной модели
Расчетное исследование напряженно-деформированного состояния шатуна
Топологическая оптимизация шатуна
Заключение
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) автомобильного дизеля
является одним из высоконагруженных механизмов двигателя. КШМ
предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения во
вращательное движение коленчатого вала. На него действуют механические,
тепловые, газовые, фрикционные, гидродинамические нагрузки. Причем
некоторые из них носят взрывной или ударный характер и действуют
циклически.
Шатун подвержен высоким циклическим нагрузкам: сжимающим
нагрузкам, вызванным силой давления газов на поршень, растягивающим
нагрузкам, вызванным силами инерции. По этой причине шатун является
объектом исследования на различных этапах жизненного цикла двигателя,
таких как проектирование, испытания, технология производства, эксплуатация
и т. д. Данная работа ограничена этапом проектирования.
В связи с современной тенденцией повышения мощности двигателей
внутреннего сгорания при минимальных габаритах и массе двигателя
действующие на шатун нагрузки возрастают. На шатун действуют монтажные
нагрузки, динамические нагрузки от сил инерции и сил давления газов. Со
стороны подшипника действует гидродинамическое давление.
Для обеспечения высокой работоспособности шатуна необходимо иметь
современные методики исследований и создания надежной и прочной
конструкции шатуна.
Несмотря на то, что исследованием и доработкой шатунов занимаются
уже много лет, работы по созданию и совершенствованию расчетных и
экспериментальных методов исследования с целью рационального
проектирования шатунов сохраняют свою актуальность.
В данной работе проведен обзор ранее проведенных исследований и
методик по определению напряженно-деформированного состояния шатуна
двигателя зарубежных и отечественных исследователей.
Предложенная методика позволяет выполнять поиск новой формы детали
в пределах некоторой исходной модели, а также оптимизировать форму
существующих деталей на основе валидированной модели. Целевой функцией
оптимизации может быть, как масса детали, так и ряд других параметров, таких
как максимальный или минимальный коэффициент запаса прочности или
степень равнопрочности детали. Могут учитываться дополнительные
ограничения, например, жесткость детали. Таким образом, методика
достаточно универсальна и может применяться для различных задач, связанных
с поиском оптимальной формы деталей.
Важным этапом исследования является валидация расчетной модели.
Результаты валидации определяют насколько точна и достоверна расчетная
модель. Поэтому данный этап должен быть обязательным.Перед проведением оптимизации проведен анализ НДС, для определения
области оптимизации на основе распределения напряжений. Длительность
процесса оптимизации почти полностью определяется затратами времени на
выполнение моделирования напряженно-деформированного состояния детали.
В результате проведения оптимизации масса шатуна уменьшилась на 3 %,
напряжения увеличились на 48 %, до 330 МПа, что находится в допустимых
пределах. Коэффициент запаса прочности по пределу текучести 2,82. Однако
это незначительно повлияло на уменьшение усталостной прочности.
Коэффициент запаса усталостной прочности уменьшился с 1,4 до 1,2 т.е. на 14
%.
