Расчет элементов кривошипно-шатунного механизма
Прочностное проектирование поршня двигателя внутреннего сгорания, его оптимизация по параметрам "коэффициент запаса - масса". Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания. Данные для формирования геометрической модели поршня и шатуна, задание материала.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.06.2013 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
"Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва"
(национальный исследовательский университет)
Факультет Двигатели летательных аппаратов
Кафедра конструкции проектирования двигателей летательных аппаратов
Курсовая работа по курсу
"Спецглавы механики материалов и машин"
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КШМ
Студенты: Конев Б.М.
Понамарёв А.А.
Шумский А.О.
Преподаватель: Уланов А.М.
Самара 2013
Задание
Произвести полный прочностной расчёт элементов КШМ двигателя. Написать файл-программу. Расчёт каждой части повторить 2 раза для грубой и более точной сетки конечных элементов.
Реферат
Курсовая работа ____ с, 17 рисунков, 8 таблиц, 3 источника
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ, КОНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ГАЗОВАЯ СИЛА, КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ КОМПЛЕКС, НАПРЯЖЕНИЯ.
В курсовой работе было проведено прочностное проектирование поршня двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации поршня по параметрам "коэффициент запаса - масса". Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у поршня конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.
Далее было проведено прочностное проектирование шатуна двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации шатуна по параметрам "коэффициент запаса - масса". Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у шатуна конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.
Содержание
- Задание
- Реферат
- Введение
- 1. Расчёт неравномерно нагретого поршня ДВС, находящегося в упругопластическом состоянии
- 1.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
- 1.2 Формирование геометрической модели поршня
- 1.3 Задание материала
- 1.4 Формирование конечно-элементной модели
- 1.5 Формирование нагрузок и граничных условий
- 1.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
- 2. Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания
- 2.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
- 2.3 Задание материала
- 2.4 Формирование конечно-элементной модели
- 2.5 Формирование нагрузок и граничных условий
- 2.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
- Заключение
- Список использованных источников
Введение
Настоящий этап развития ДВС характеризуется высокими темпами роста их удельных показателей, например, литровой мощности, что приводит к существенному возрастанию тепловой и механической нагруженности деталей КШМ (поршень, палец, шатун и т.д.). Теплонапряженные детали двигателя имеют, как правило, сложную геометрическую форму, а их отдельные элементы находятся в тепловом, силовом и кинематическом взаимодействии. При проектировании, расчете и доводке двигателя необходим более полный и точный учет всех величин, определяющих надежность и ресурс.
На неустановившихся режимах, характерных для эксплуатации большинства современных двигателей, напряженность поршня меняется во времени, что приводит к появлению усталостных трещин и разрушению. Это обстоятельство вызывает необходимость уточнения существующих методик расчета прочности и также разработки новых методик.
поршень шатун двигатель проектирование
1. Расчёт неравномерно нагретого поршня ДВС, находящегося в упругопластическом состоянии
1.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
Выполним учебный расчет, взяв сечение поршня, представленное на рисунке ниже.
Рисунок 1 - Линии для построения радиального сечения поршня
Для данного поршня выбраны параметры - толщины, радиусы изменения толщин и радиусы скруглений. Их численные значения сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Параметризированные размеры поршня и бобышки
|
Параметр |
Fg |
||||||||
|
Размер, м |
0,046 |
0,009 |
0,037 |
0,005 |
0,016 |
400 |
200 |
9,84e6 |
Таблица 2 - Геометрические размеры поршня
|
№ |
X |
Y |
Z |
|
|
1 |
0.04225 |
0 |
0 |
|
|
2 |
0.04225 |
0.003 |
0 |
|
|
3 |
0.04225 |
0.020 |
0 |
|
|
4 |
0.04225 |
0.033 |
0 |
|
|
5 |
0.03925 |
0.033 |
0 |
|
|
6 |
0.03925 |
0.035 |
0 |
|
|
7 |
0.04225 |
0.035 |
0 |
|
|
8 |
0.04225 |
0.038 |
0 |
|
|
9 |
0.04225 |
0.038 |
0 |
|
|
10 |
0.03825 |
0.039 |
0 |
|
|
11 |
0.04225 |
0.039 |
0 |
|
|
12 |
0.04225 |
B1-0.001 |
0 |
|
|
13 |
0.03925 |
B1-0.001 |
0 |
|
|
14 |
0.03925 |
B1 |
0 |
|
|
15 |
0.04225 |
B1 |
0 |
|
|
16 |
0.04225 |
0.051 |
0 |
|
|
17 |
0.020 |
0.051 |
0 |
|
|
18 |
0.010 |
0.0478 |
0 |
|
|
19 |
0 |
0.048 |
0 |
|
|
20 |
0 |
0.051-H1 |
0 |
|
|
21 |
0.010 |
0.051372-H1 |
0 |
|
|
22 |
D1-0.00875 |
0.054-H1 |
0 |
|
|
23 |
0.037 |
0.003 |
0 |
|
|
24 |
0.03925 |
0.003 |
0 |
|
|
25 |
0.03925 |
0 |
0 |
|
|
30 |
0.04125 |
0.0510 |
0 |
|
|
31 |
0.0400 |
0.561 |
0 |
|
|
32 |
0.0350 |
0.0610 |
0 |
|
|
33 |
0.0280 |
0.0610 |
0 |
|
|
34 |
0.0250 |
0.0545 |
0 |
Таблица 3 - Геометрические размеры бобышки поршня
|
№ |
X |
Y |
Z |
|
|
500 |
0 |
0.021 |
-0.034 |
|
|
501 |
0 |
0.021-B2 |
-0.034 |
|
|
502 |
B2-0.000069 |
0.019517 |
-0.034 |
|
|
503 |
B2+0.00154 |
0.047 |
-0.034 |
|
|
504 |
0 |
0.0379 |
-0.034 |
|
|
505 |
-B2-0.00154 |
0.047 |
-0.034 |
|
|
506 |
0.000069-B2 |
0.019517 |
-0.034 |
|
|
507 |
0 |
0.010 |
-0.034 |
|
|
508 |
0.011 |
0.021 |
-0.034 |
|
|
509 |
0.004583 |
0.031 |
-0.034 |
|
|
510 |
0 |
0.032 |
-0.034 |
|
|
511 |
-0.004583 |
0.031 |
-0.034 |
|
|
512 |
-0.011 |
0.021 |
-0.034 |
|
|
513 |
0.009526 |
0.00265 |
-0.034 |
|
|
514 |
-0.009526 |
0.00265 |
-0.034 |
|
|
599 |
0 |
0.010 |
-0.014 |
1.2 Формирование геометрической модели поршня
Итак, есть координаты точек. В рабочем каталоге ANSYS создается текстовый файл "00-piston. txt". Первой строкой в нем записывается команда очистки задания ANSYS от предыдущей информации.
Продолжается формирование своего файла. Добавляются команды создания точек сечения. Они, соответственно, имеют вид - K, №точки, X, Y, Z. Таким образом, строим все 30 точек сечения.
Затем точки последовательно соединяются линиями 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-7, 7-8 и т.п., создаются скругления командой "LFILLT". Далее создается область по линиям.
Рисунок 2 - Радиальное сечение поршня
Затем создадим объем путем вращения полученной поверхности вокруг оси Y. Угол поворота: 1800.
Принцип построения бобышки поршня аналогичен: Точки создаются командой, либо прописыванием команд в лог-файл. К сожалению, неизвестная особенность программы не позволила построить точную модель поршня (с бобышкой, силовой плоскостью и конструктивным вырезом), поэтому в данной работе рассматривается и рассчитывается модель поршня, лишь отдалённо напоминающая реальную деталь.
Для сокращения времени расчёта вместо половины поршня оставим четверть. В результате получим:
Рисунок 3 - Полученная конечная модель поршня
1.3 Задание материала
Для задания материала необходимо задать зависимости коэффициентов упругости и коэффициент теплопроводности материала при различных температурах:
Таблица 4 - Свойства материала
|
200 |
400 |
||
|
69e9 |
69e9 |
||
|
0,30 |
0,30 |
В окне ALPX задается коэффициент теплопроводности материала при данной температуре:
|
200 |
400 |
||
|
15e-6 |
19e-6 |
Команды Ansys из Log-файла сохраняются в своем командном файле.
1.4 Формирование конечно-элементной модели
Задается тип конечного элемента (SOLID187) и размер конечного элемента - 0,002. Далее в меню тело разбивается свободной сеткой.
Рисунок 4 - Полученная сетка конечных элементов
1.5 Формирование нагрузок и граничных условий
Приложим к днищу поршня газовую силу. В качестве значения силы вписывается заданный параметр Fg
Производится нагружение диска температурой в зависимости от расстояния до днища поршня с помощью команд APDL и цикла "DO-ENDDO". В реальности распределение температур по длине поршня имеет характер параболы. Именно такой закон необходимо задавать. Ниже, в качестве примера, производится нагружение по линейному закону.
При линейном законе распределения температура в любой точке диска равна сумме постоянной составляющей (200 градусов) плюс координата по оси Y, умноженная на тангенс угла альфа. Одним катетом является разница температур, а другим - разница координат, Получаем:
Для реализации нагружения в Ansys, согласно этому уравнению, следует воспользоваться циклом DO-ENDDO.
*get,n_count,node,0,count
tan= (Tmax-Tmin) /0.061
*do, i,1,n_count
BF, i,TEMP,Tmin+Ny (i) *tan
*end do
Рисунок 5 - Поля температур на поршне
Для правильного решения данной модели необходимо задать условие симметрии относительно плоскостей Y-Z и Y-X. Необходимо выбрать две поверхности модели поршня.
Закрепление бобышки поршня в верхней части отверстия под палец по 120 градусному сектору по направлениям Х и Y. Сразу по двум осям закрепить не удастся, поэтому операцию повторяем дважды.
1.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
Производится решение и визуализация результатов. Так же проводится исследование влияния геометрических размеров поршня на его внутренние напряжения и деформации, возникающие при его работе при заданной нагрузке. Результаты исследования приведены в таблице 5:
Таблица 5 - Результаты исследования (изменение толщины днища поршня H1 при внутреннем диаметре D1=0.037 м)
|
Толщина днища поршня, мм |
3,5 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
Максимальные суммарные напряжения, МПа |
1380 |
1230 |
1210 |
1300 |
1220 |
1160 |
1160 |
1150 |
1200 |
|
|
Максимальные суммарные перемещения, мкм |
1384 |
506 |
616 |
485 |
474 |
464 |
451 |
440 |
428 |
На основании данных из таблицы построим графики зависимости значений напряжений и перемещений от геометрических размеров (конкретно - от толщины юбки, параметр Н1):
Рисунок 6 - График зависимости от H1
Рисунок 7 - График зависимости S от H1
Проанализируем приведённые выше графики. Очевидно, что оптимальные значения напряжений и перемещений получаются при толщине днища равного 11 мм.
2. Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания
Далее необходимо провести прочностное проектирование шатуна двигателя внутреннего сгорания. Суть данного расчета в оптимизации шатуна по параметрам "коэффициент запаса - масса". Получив исходную конструкцию (чертеж), необходимо доказать, что у шатуна конструкция оптимальна и, если это не так, усовершенствовать ее. Для этого нужен ряд последовательных многократных расчетов с целью исследования влияния имеющихся геометрических размеров и охлаждения.
2.1 Подготовка исходных данных для геометрической модели
Выполним учебный расчет, взяв параметры шатуна, представленные на рисунке ниже:
Рисунок 8 - параметры шатуна
Для данного шатуна выбран один изменяемый параметр - глубина выреза B1. Его численное значение указано в таблице 6.
Таблица 6 - Параметризированные размеры
|
Параметр |
Глубина выреза |
|
|
Размер, м |
0,003 |
Создание линий для построения:
Рисунок 9 - Результат построения линий
Для дальнейшего построения необходимы только окружности, являющиеся контурами созданных поверхностей. Поэтому удалим ненужные элементы.
Создание ребер шатуна:
Создадим точки 30-37. Затем точки последовательно соединяются линиями 30-34, 31-35, 32-36, 33-37. Затем необходимо разбить внешние окружности верхнего и нижнего кольца построенными линиями.
Выбираем попарно 2 дуги верхнего и нижнего кольца и линию деления. После операции линия деления исчезает.
По точкам, получившимся в результате деления, построим линии ребер.
Чтобы построить поверхность, необходимо сначала достроить дуги, которые исчезли после операции скругления.
Для этого сначала удаляем остаток, затем строим 4 дуги операцией. Для приложения силы и закрепления нам необходимо поделить внутренние окружности, чтобы получить дугу в 90 градусов. Для этого построим вспомогательные линии по точкам.
Таблица 7 - Точки для построения вспомогательных линий
|
N |
X |
Y |
Z |
|
|
36 |
0.0077782 |
0.1422218 |
0 |
|
|
37 |
-0.0077782 |
0.1422218 |
0 |
|
|
2 |
0.019799 |
0.019799 |
0 |
|
|
3 |
-0.019799 |
0.019799 |
0 |
Соединим точки с соответствующими центрами окружностей линиями. Создаются поверхности по линиям. При этом следует обращать внимание на число выделенных линий, так как контуры должны быть полностью замкнуты для создания областей.
Создание объемной модели:
Рисунок 10 - Полученная объемная модель
2.3 Задание материала
Нет необходимости задавать зависимости коэффициентов упругости и коэффициент теплопроводности материала при различных температурах
В окне EX задается коэффициент упругости при данной температуре, равный 2e11; в окнах PRXY - коэффициент Пуассона, равный 0,3.
2.4 Формирование конечно-элементной модели
Задается тип конечного элемента - Solid 185. В меню выбирается размер конечного элемента - 0,0015.
Далее в меню тело разбивается свободной сеткой.
Рисунок 11 - Полученная сетка конечных элементов
2.5 Формирование нагрузок и граничных условий
Приложим к дуге в 900 верхнего кольца силу. В качестве значения силы вписывается заданный параметр Fg.
Производиться закрепление бобышки поршня по дуге нижнего кольца по направлениям X и Y. Сразу по двум осям закрепить не удастся. Поэтому операцию повторяем дважды.
2.6 Расчет напряженно-деформированного состояния
Производится решение и визуализация результатов. Так же проводится исследование влияния геометрических размеров поршня на его внутренние напряжения и деформации, возникающие при его работе при заданной нагрузке. Результаты исследования приведены в таблице 8:
Таблица 8 - Результаты исследования (изменение глубины выреза)
|
Глубина выреза, мм |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
Максимальные суммарные напряжения, МПа |
320 |
341 |
366 |
399 |
477 |
502 |
|
|
Максимальные суммарные перемещения, мкм |
57,5 |
64,8 |
74,4 |
84,3 |
106,0 |
138,0 |
На основании данных таблицы построим графики зависимости значений напряжений и перемещений от геометрических размеров:
Рисунок 12 - График зависимости ? от д (глубины выреза)
Рисунок 13 - График зависимости S от д (глубины выреза)
Проанализируем, приведённые выше, графики. Определили, что оптимальные значения напряжений и перемещений получаются при величине глубины выреза, равной 3 мм.
На рисунках 14-17 показаны суммарные напряжения и перемещения в поршне и шатуне, чьи геометрические размеры являются оптимальным:
Рисунок 14 - Отображение суммарного напряжения в поршне
Рисунок 15 - Отображение суммарных перемещений в поршне
Рисунок 16 - Отображение суммарного напряжения в шатуне
Заключение
В данной работе был выполнен прочностной расчет элементов КШМ, построены поля распределения напряжения и отображены перемещения в деталях, проведено исследование влияния геометрических размеров деталей на внутренние напряжения и перемещения. Был освоен расчётный пакет Mechanical APDL (ANSYS).
Список использованных источников
1. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. /А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.: ил.
2. СТО СГАУ 02068410-004-2007 Общие требования к учебным текстовым документам. С.: СГАУ. 2007. - 30с
3. Методическое указание "Создание расчетных моделей элементов ДВС в конечно-элементном комплексе Ansys". / Сайгаков Е.А.; Горшкалев А.А.; Кривцов А.В.; Сморкалов Д.В: СГАУ, 2010-33с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение параметров рабочего цикла дизеля. Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна. Построение регуляторной характеристики автотракторного двигателя внутреннего сгорания. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма, параметров маховика.
курсовая работа [309,2 K], добавлен 29.11.2015Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания и действующих в нем усилий. Его устройство и схема равнодействующих моментов. Расчет сил инерции. Диаграмма износа шатунной шейки коленчатого вала. Способы уравновешивания его значений.
контрольная работа [108,6 K], добавлен 24.12.2013Проектирование кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания, определение линейных размеров звеньев. Синтез оптимальных чисел зубьев и кинематический анализ. Исследование качественных характеристик внешнего эвольвентного зацепления.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 23.09.2010Общие сведения о двигателе внутреннего сгорания, его устройство и особенности работы, преимущества и недостатки. Рабочий процесс двигателя, способы воспламенения топлива. Поиск направлений совершенствования конструкции двигателя внутреннего сгорания.
реферат [2,8 M], добавлен 21.06.2012Общая характеристика судового дизельного двигателя внутреннего сгорания. Выбор главных двигателей и их основных параметров в зависимости от типа и водоизмещения судна. Алгоритм теплового и динамического расчета ДВС. Расчет прочности деталей двигателя.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 10.06.2014Рассмотрение термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объёме и давлении. Тепловой расчет двигателя Д-240. Вычисление процессов впуска, сжатия, сгорания, расширения. Эффективные показатели работы ДВС.
курсовая работа [161,6 K], добавлен 24.05.2012Кинематический анализ двухтактного двигателя внутреннего сгорания. Построение планов скоростей и ускорений. Определение внешних сил, действующих на звенья механизма. Синтез планетарной передачи. Расчет маховика, делительных диаметров зубчатых колес.
контрольная работа [630,9 K], добавлен 14.03.2015Описание прототипа двигателя ЯМЗ-236. Блок цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, газораспределение. Исходные данные для теплового расчета. Параметры цилиндра и двигателя. Построение и скругление индикаторной диаграммы. Тепловой баланс двигателя.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 25.05.2013Расчет основных параметров двигателя ЗИЛ-130. Детали, механизмы, модели основных систем двигателя. Количество воздуха, участвующего в сгорании 1 кг топлива. Расчет параметров процесса впуска, процесса сгорания. Внутренняя энергия продуктов сгорания.
контрольная работа [163,7 K], добавлен 10.03.2013Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы. Расчет процессов газообмена, процесса сжатия. Термохимический расчет процесса сгорания. Показатели рабочего цикла двигателя. Построение индикаторной диаграммы. Расчет кривошипно-шатунного механизма.
курсовая работа [144,2 K], добавлен 24.12.2016
