Підвищення ефективності моделювання теплонапруженого стану поршнів ДВЗ у багатоетапній САПР

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.05.03 – двигуни та енергетичні установки. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". – Харків, 2017. Дисертація присвячена прогнозуванню теплонапруженого стану та втрати міцності поршнів двигунів внутрішнього згоряння у САПР. Актуальність роботи полягає у підвищенні ефективності процесу проектування на основі дотримання концепції гарантованого забезпечення ресурсу конструкції. Здійснено аналіз сучасного стану методів, моделей і методик прогнозування термонапруженого стану та ресурсу кромок камер згоряння поршнів форсованих двигунів, маршрутів проходження проектів у САПР. Уточнено методику прогнозування накопичення пошкоджень в матеріалі поршня. Удосконалено модель прогнозування граничних умов 3-го роду задачі теплопровідності поршня. Запропоновано залежність локального по поверхні камери згоряння коефіцієнту тепловіддачі, яка враховує кут випередження подачі палива. Розроблено рекомендації щодо вибору визначального режиму навантаження двигуна. Здійснено аналіз особливостей зміни температурного та термонапруженого стану в коловому напрямі кромки камери згоряння з урахуванням змін геометрії поршня, рівня форсування двигуна та інших впливових факторів. Вперше показано, що локальні зміни геометрії вогневої поверхні поршня можуть приводити до різнонаправлених змін температурного та термонапруженого стану таких зон. Розширено уявлення щодо впливу рівнів спрощень геометрії, розрахункової моделі, граничних умов теплопровідності поршня на результати розрахунку міцності кромки камери згоряння поршня. Удосконалено методику проходження проекту поршня в багатоетапній САПР. На прикладі дизеля 4ЧН12/14 проаналізовано заходи щодо забезпечення ресурсної міцності поршнів та визначено чисельні значення їх впливу. Запропоновано дві нові конструкції поршня з порожнинами галерейного масляного охолодження.Thesis for the degree of candidate of technical sciences by specialty 05.05.03 - engines and power plants. – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". – Kharkiv, 2017. The thesis is devoted to the prediction of the heat stressed state and loss of strength of the pistons of internal combustion engines in CAD/CAE. Actuality of work is to increase the efficiency of the design process on the basis of compliance with the concept of guaranteed provision of the resource design. The analysis of the current state of methods, models and methods for predicting the heat stress state and edge resource of the combustion chambers of the forced engine pistons, the routes of the projects passing through the CAD/CAE is carried out in the work. It is shown that the existing deviations from the concept of guaranteed reliability in the applied techniques and models are associated with the possible unreasonable level of assumptions and simplifications of input, external, internal and output parameters of models and, accordingly, with unreasonable design routes. It is suggested to increase the efficiency of the design process on the basis of a comprehensive analysis of the permissible simplification of the geometric and design models, the engine operation model and the corresponding boundary conditions of the piston heat conduction problem. The technique of forecasting the accumulation of damages in the material of the piston is specified. The model of prediction of boundary conditions of the third kind is improved. A dependence of the heat transfer coefficient local on the surface of the combustion chamber is proposed, which takes into account the fuel advance angle. It is established that an increase in the fuel feed angle by 6 ° can more than double the relative damage of the piston material in the combustion chamber edge zone. The recommendations on the choice of the determining mode of loading of the engine are developed. The analysis of the features of the change in the temperature and thermonuclear state in the circumferential direction of the edge of the combustion chamber taking into account changes in the geometry of the piston, the engine boost level and other weighty factors is analyzed. It is shown for the first time that local changes in the geometry of the piston's fire surface can lead to multidirectional changes in the temperature and thermo-stressed state of such zones. The notion of the effect of the levels of simplification of geometry, the calculation model, the boundary conditions of the thermal conductivity of the piston on the results of calculating the strength of the edge of the combustion chamber of the piston is expanded. It has been established that simplifying the geometry of the piston in the zone of the edge of the combustion chamber can lead to a significant over-reduction, more than 35%, of the criterion of relative damage to the material. Such a simplification of the model leads to a violation of the concept of guaranteed assurance of the resource. The technique of passing the piston design in multi-stage CAD/CAE is improved. The example of diesel 4CHN12/14 analyzed the measures to ensure the resource strength of pistons and determined the numerical values of their impact. Two new designs of the piston with cavities of gallery oil cooling are offered.