Пильов Володимир Олександрович. Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР

brief description

Пильов Володимир Олександрович. Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР: Дис... д-ра техн. наук: 05.05.03 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2002. - 409арк. - Бібліогр.: арк. 354-377.

Пильов В.О. Наукові основи забезпечення тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів при використанні САПР. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.05.03 теплові двигуни. Національний технічний університет Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002.
Дисертацію присвячено розробці комплексу методик, що дозволяють забезпечити заданий рівень тривалої міцності поршнів форсованих швидкохідних дизелів певного технологічного призначення при використанні САПР. Сформульовано та реалізовано положення системного підходу до проектування поршня в САПР з урахуванням ресурсного критерію міцності. Розроблено комплекс математичних моделей різних рівнів складності для прогнозування теплонапруженого стану та тривалої міцності множини конкуруючих конструкцій поршнів при довільній зміні типових граничних умов. Запропоновано і реалізовано методологію конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм з урахуванням моделі експлуатації двигуна.

Результатом виконання дисертаційної роботи є розв’язання крупної науково-технічної проблеми, яка надає якісно нові можливості використання методів і засобів САПР в процесі багатоваріантного проектування поршнів перспективних швидкохідних дизелів, а саме: забезпечення заданого рівня тривалої міцності конструкції на початкових стадіях проектування високофорсованих двигунів, їх модернізації. Запропонований комплекс методик і програм дозволяє на обґрунтованій науковій основі практично реалізувати сучасні методи віртуального проектування, підвищити якість моторної техніки з урахуванням концепції розподілу ринку дизелів за експлуатаційним призначенням.
Проведене дисертаційне дослідження дозволило отримати наступні нові важливі наукові і практичні результати:
1. Сформульовано положення системного підходу щодо забезпечення ефективності інтегрованої САПР ДВЗ з урахуванням концепції сегментації ринку на основі особливостей технологічного призначення двигунів. Подано узагальнену схему проходження проекту в інтегрованій системі та схему багатоетапної САПР КЗ поршня. З урахуванням останньої сформульовано комплекс вимог до забезпечення в САПР заданого рівня тривалої міцності конструкції. Виконане в роботі подальше дослідження повністю відповідає забезпеченню сформульованих вимог.
2. Вперше виконано структурну типізацію конструкцій поршнів швидкохідних дизелів та отримано типову логічну формулу для математичного опису геометрії їх конкуруючих конструкцій. При застосуванні поданої формули в САПР математичний образ поршня є повністю визначеним, що надає можливість автоматизованого багатоваріантного його використання в підсистемах функціонального аналізу конструкцій.
3. Розроблено основні елементи підсистем автоматизованого синтезу нарисно-графічної та конструкторської документації деталей КЗ. Подані програми призначені для автоматичної будови геометрії КЗ, поршня, складання креслень і об’ємних зображень інших деталей КЗ, що є основою розробки підсистем генерації конструкторської документації в ДВЗ.
4. Уточнено умови забезпечення достовірного прогнозування температурного стану конструкції поршня. Вони стосуються необхідних і достатніх законів апроксимації ГУ на ділянках теплопідводу та припустимих похибок завдання останніх по усім поверхням поршня.
5. Для прогнозування температурного стану конструкції поршня на експлуатаційних режимах роботи швидкохідних дизелів запропоновано нову емпіричну модель ГУ 3-го роду та методику її ідентифікації з метою підвищення достовірності результатів. Розглянуто п’ять типів КЗ для поршнів шести типорозмірів двигунів. Оцінено похибки прогнозування температурного стану конструкції, що не перевищують 5-6%.
6. На основі використання регіонального та регіонально-структурного методів, типової логічної формули математичного опису геометрії поршня, моделі ГУ 3-го роду та методик еквівалентування задачі наданого рівня складності розроблено ефективний програмний комплекс, призначений для експрес-прогнозування термонапруженого стану множини конкуруючих конструкцій поршнів швидкохідних дизелів на початкових стадіях їх проектування в САПР.
Основною перевагою комплексу є можливість оперативного виконання багатоваріантних розрахунків при довільній зміні типових ГУ. Використання комплексу дозволило виконати в роботі понад 350 чисельних експериментів, здійснити їх теоретичні узагальнення, що базуються на варіантних розрахунках.
7. Для діапазону робочих температур поршнів швидкохідних дизелів встановлено поріг циклічної повзучості поршневого сплаву АЛ25, що обумовило вибір моделі пружно-пластичного деформування матеріалу в особливо термонавантаженій зоні поршня. Згідно до неї при циклічному термонавантаженні конструкції процес повзучості є незатухаючим, а темп накопичення пошкоджень залежить від тривалості циклу термонавантаження та особливості зміцнення матеріалу при повзучості.
8. Запропоновано і розповсюджено використання енергетичного критерію міцності при повзучості на прогнозування величин руйнуючих пошкоджень матеріалу поршня з урахуванням перехідних процесів навантаження двигуна та зміни знаку навантаження матеріалу, що забезпечує достовірність розрахункових результатів.
9. Встановлено дві характерні зони півциклу термонавантаження поршня, в яких має прояв процесу повзучості. Вперше встановлено, що внаслідок особливостей комплексу фізичних процесів, що розглядаються, напруження розтягу в особливо термонавантаженій зоні поршня можуть мати місце не тільки після скидання навантаження, а і на важкому усталеному режимі роботи двигуна. Ці дані є основою уточнення рекомендацій для забезпечення тривалої міцності конструкції поршня.
10. На основі поданих нових уявлень щодо накопичення руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантаженій зоні поршня удосконалено методику прогнозування його тривалої міцності.
11. Вперше отримано розрахункові залежності тривалої міцності конструкції поршня від тривалості циклу низькочастотного її термонавантаження з урахуванням сумісної дії комплексу впливових факторів для кожного окремого циклу. Показано, що скорочення такого циклу вдвоє може зменшувати тривалу міцність поршня в 5 раз. Останнє слід враховувати при прогнозуванні експлуатаційної тривалої міцності поршнів швидкохідних дизелів певного технологічного призначення.
12. Розроблено методику ідентифікації теоретичної нестаціонарної моделі навантаження двигуна, що відповідає максимальній величині накопичених руйнуючих пошкоджень за встановлений технічним завданням час експлуатації. Розроблено теоретичні моделі нестаціонарного експлуатаційного навантаження двигунів сільськогосподарських, дорожньо-будівельних та лісопромислових машин. Уточнено формулу для розрахунку експлуатаційної тривалої міцності особливо термонавантаженої зони поршня.
13. Розширено уявлення щодо впливу технологічного призначення двигуна, рівня його форсування, ряду конструктивних особливостей двигуна і поршня на рівень тривалої міцності останнього. Встановлено, що тривала міцність конструкції поршня в залежності від технологічного призначення двигуна може відрізнятись до тридцяти разів і більше. Встановлено, що при перспективному форсуванні двигунів с 25 до З0кВт/лтривала міцність поршнів в залежності від особливостей використання енергетичних установок зменшується в 2,7-17 разів.
14. Подано методологію та загальну схему конструктивної оптимізації поршня за ресурсним критерієм, яка передбачає використання набору з п’яти розроблених моделей аналізу його теплонапруженості. Попередній аналіз конструкцій здійснюється з використанням моделей нижчих рівнів складності, а використання уточнених методик після звуження області пошуку рішень. Розглянуті приклади складають повний цикл проходження проекту в блоці оптимізації.
15. В процесі виконання роботи отримано два патенти України на винаходи. Розроблені методики й програми впроваджені в ВАТ ГСКБД (м.Харків), використовуються в практиці НДР та ВКР в проблемній науково-дослідній лабораторії, в учбовому процесі аспірантів і студентів спеціальності 090210 двигуни внутрішнього згоряння кафедри ДВЗ НТУ "ХПІ". Результати роботи можна рекомендувати до використання в КП ХКБД, КБСД, АТ "АВТРАМАТ", в конструкторських бюро заводів-виробників дизельних двигунів та поршнів. Доцільним слід вважати впровадження програмних комплексів в учбовий процес інших вищих навчальних закладів за означеною вище спеціальністю.