Разработка методики профилирования поршня с учётом
advertisement
На правах рукописи Пищаев Олег Александрович МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТЕРМОНАПРЯЖЁННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ И ПОРШНЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 01.02.06. – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 05.04.02. – Тепловые двигатели Автореферат диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Нижний Новгород 2006 2 Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете Научный руководитель – заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор В.М. Волков Официальные оппоненты: - д.ф. - м.н., проф. И.А. Волков - д.т.н., проф. Л.А. Захаров Ведущая организация – Защита состоится ОАО “ Русские моторы” (г. Н.Новгород) “___” __________ 2006 г. В ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, ауд._____. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.165.08. Автореферат разослан “___” ________ 2006 г. Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.165.08 д.т.н., профессор А.Н. Попов 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы Современные тенденции в двигателестроении характеризуются дальнейшим увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания. Это, в свою очередь, сопровождается увеличением газовых и тепловых нагрузок, как на детали цилиндропоршневой группы, так и на двигатель в целом. При этом обеспечение требуемой надёжности (безотказности и долговечности) двигателей во многом зависит от того, насколько эффективны мероприятия по снижению теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень, на который действуют высокие механические и тепловые нагрузки. В свою очередь, от теплового состояния всех деталей ЦПГ в большой мере зависит эффективность рабочего процесса двигателя, процесс образования отложений и, что в последнее время выходит на первое место по значимости, токсичность отработанных газов. При этом сроки проектирования и доводки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), вместе с неуклонным снижением массы деталей, сокращаются, что приводит к усложнению расчётных математических моделей и всё большему применению ЭВМ. Наибольшее признание для решения данного круга задач, по праву, получило математическое моделирование и численные методы, и как наиболее эффективный из них – метод конечных элементов (МКЭ). В связи с этим открываются перспективы разработки инженерных методик для расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей ДВС и определения геометрии поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями ЦПГ при их совместном деформировании. Обоснованное изменение или построение нового профиля поршня может существенно улучшить как экологические показатели, так и надёжность ДВС. Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо экологических факторов, обусловлена большой стоимостью ремонта цилиндропоршневой группы, вызванного отказами поршней. Актуальность вышеперечисленных задач обуславливает важность поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы для диссертации. Цель и задачи исследования Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней ДВС (на примере рядного четырёхцилиндрового двигателя ЗМЗ-405.10) с учётом контактного взаимодействия между ними. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи: - построение алгоритма определения граничных условий для деталей ДВС; - определение температурных полей в головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС; 4 - разработка методики расчёта напряжённо – деформированного состояния (НДС) корпусных деталей и поршней ДВС с учётом контактного взаимодействия с сопрягаемыми деталями; - разработка методики построения профиля поршней с учётом совместного деформирования деталей ЦПГ. Научную новизну представляют и на защиту выносятся - алгоритм определения граничных условий для расчёта температур в головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС; - расчёты полей температур головки блока цилиндров, блока цилиндров, поршней исследуемого двигателя на режиме номинальной мощности с использованием трёхмерных конечных элементов (КЭ); - исследование в 3D постановке напряжённо-деформированного состояния головки блока цилиндров, блока, поршня с учётом контактного взаимодействия с деталями цилиндропоршневой группы и температурами, действующими в этих деталях; - алгоритм построения профилей поршней для двигателей внутреннего сгорания с учётом совместного деформирования деталей цилиндропоршневой группы. Практическая значимость Определяется: - разработанной методикой определения температурного и напряжённого состояния деталей ЦПГ, которая может использоваться в производственной практике предприятий автомобильной промышленности; - предложенным алгоритмом построения профилей поршней. Достоверность результатов Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным применением математических методов и подтверждается приводимым в работе сравнением численных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами. По предложенной методике был спрофилирован поршень для двигателя ЗМЗ-409.10. До изменения его профиля наблюдались задиры цилиндров, после профилирования количество рекламаций по задирам цилиндров в двигателях ЗМЗ-409.10 значительно снизилось. Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались и (или) публиковались на: - 5-й Международной конференции “Научно – технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения” (Санкт – Петербург, 2003 г.); - 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2004 г.); 5 - 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Современные тенденции развития автомобилестроения в России” (г. Тольятти, 2004 г.); - 10-й Нижегородской сессии молодых учёных (г. Дзержинск, 2005 г.); - 4-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2005 г.); - Всероссийской научно – технической конференции “Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве” (г.Н. Новгород, 2006 г.); - диссертация докладывалась на научном семинаре кафедры “Динамика, прочность машин и сопротивление материалов” НГТУ октябрь 2006 г. Внедрение результатов исследования Разработанные в диссертации инженерные методики, а так же результаты численных исследований используются на ОАО “ЗМЗ” для определения профилей поршней и напряжённо-деформированного состояния деталей двигателя. Публикации Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 публикациях [1 – 9]. Структура и объём работы Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (основные результаты и выводы по работе), списка литературы. Основной печатный текст вместе с 43 иллюстрациями и 21 таблицей занимает 106 страниц, список литературы состоит из 102 наименований. 6 СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулированы направления исследований, обоснована их актуальность и правомерность избрания в качестве темы диссертации. В первой главе даётся обзор литературы по теме диссертации. В обзоре затронуты вопросы условий работы деталей цилиндропоршневой группы и влияние различных факторов на работу двигателя в целом. В этой области ведутся исследования высшими учебными заведениями, научноисследовательскими институтами, моторостроительными предприятиями (МГТУ им. Н.Э. Баумана, СПбГТУ, МГТУ (МАМИ), МГТУ (МАДИ), НАМИ, НИИАТ, НИИУАвтопром, ОАО «ГАЗ», ОАО «ЗИЛ», ОАО «ЗМЗ», ОАО «УАЗ» и др.). В обзоре литературные данные о современных методах оценки температурного и напряжённо-деформированного состояния деталей ЦПГ. Целью обзора является анализ изученности темы, а также анализ методов и подходов к определению НДС деталей ЦПГ и построению профилей поршней. Материалы обзора охватывают подходы к определению температурного и напряжённо-деформированного состояния деталей ДВС и других конструкций. В этой связи широко известны труды учёных Н.Х.Дьяченко, А.К. Костина, С.Н. Дашкова, М.М. Бурина, В.М. Волкова, А.И. Садырина, В. Г. Баженова, Р.З. Кавтарадзе, Э.М. Карташова, А.С. Орлина, Е.П. Павлова, Б.С. Стефановского, П. Э. Сыркина, И. Я. Райкова, Г.Б. Розенблита, Н.Д. Чайнова и других – в нашей стране; W.C. Reynolds, H.C. Perkins, E.L. Wilson, R.E. Nickell, N. D. Whitehouse и других – за рубежом. Рассмотрено взаимное влияние отложений, образующихся на поверхности деталей ЦПГ в процессе работы двигателя, и температурного состояния деталей. По материалам литературного обзора определены критические температуры на поверхности поршней двигателей внутреннего сгорания. В силу сложности геометрических форм исследуемых деталей ДВС (блока, головки блока, поршня, шатуна) обосновано применение численных методов в качестве основного метода анализа НДС и теплового состояния исследуемых деталей. Аналитические методы решения задач теплопроводности имеют бесспорное преимущество перед численными, так как позволяют получить решение в конечном виде и исследовать его особенности в широком диапазоне изменения характеристик для заданных параметров. К сожалению, аналитически можно решить лишь небольшое число относительно простых модельных задач, поэтому в инженерной практике чаще всего используют численное моделирование. Сравнительный анализ этих методов изложен в работах С.К. Годунова, Г.И. Марчука, А.А. Самарского. 7 Анализ работ, посвящённых разработке методов и подходов к расчёту НДС деталей двигателя и профилированию поршней ДВС, показал: 1. Поршень ДВС относится к наиболее ответственным деталям двигателя, отказ которого приводит к выходу из строя двигателя и к последующему дорогостоящему ремонту; 2. Конструкция поршня существенным образом влияет на экономические и экологические показатели двигателя. В частности, уменьшение зазора между поршнем и цилиндром по данным Л.А. Захарова, В.Л. Химича, Е.П. Павлова, П.А. Лощакова приводит к снижению температуры поршня за счёт уменьшения проникновения газа в зазор между поршнем и гильзой, и более плотному прилеганию боковой поверхности поршня, включая головку поршня, к зеркалу цилиндра. Так же снижается до 2 раз нагаро – и лакообразование на поршне, а расход масла на угар можно снизить, по данным Е.П.Павлова, в пределах от 1.7 – 2.1 раза; 3. Задачи корректного определения теплового состояния и НДС деталей двигателя, а в конечном итоге и последующую их геометрию, необходимо решать в трёхмерной постановке. Это объясняется тем, что осесимметричная постановка задачи не даёт объективной картины, как НДС детали, так и её теплового состояния; 4. Имеющиеся до последнего времени отечественные и зарубежные методики профилирования поршней базировались преимущественно на эмпирическом подходе к определению формы профиля. В сегодняшних условиях, при неуклонном снижении массы деталей ДВС, необходима оперативная методика оценки работоспособности конструкции при минимальных затратах на проектирование и экспериментальные исследования. Во второй главе разработаны алгоритмы определения полей температур в деталях двигателей внутреннего сгорания, таких как блок цилиндров, головка блока цилиндров, поршень. Для этого на режиме номинальной мощности были определены граничные условия для всех упомянутых деталей. На внешней поверхности блока цилиндров и головки блока задавались условия конвективного теплообмена с окружающей средой. По данным В.А. Кузовлева, для свободного движения жидкости (газа) имеют место следующие обобщённые зависимости: при значении Gr 10 , Pr 10 : Nuh , ж 0.76 (Grh , ж Prж )0.25 (Prж / Prст ) , (1) где Gr - число подобия Грасгофа; Pr - число подобия Прандтля; Nu - число подобия Нуссельта. Здесь в уравнении конвективного теплообмена вводится температура стенки и средняя температура жидкости. Чтобы указать, какая из этих температур принята в данном конкретном случае в качестве определяющей, в 3 h, ж 9 ж 8 расчётное уравнение вводится соответствующий индекс (“ст” или “ж”). В индексе указывается также, что принимается в данном конкретном уравнении в качестве определяющего размера: длина l или h – высота. Число подобия Грасгофа: Gr term g h 3 t / 2 . (2) Здесь term - температурный коэффициент объёмного расширения, К-1; g – ускорение свободного падения, м/с2; t - температурный напор – разность между определяющими температурами жидкости и стенки, ˚С; - кинематическая вязкость жидкости, м2/с. Число подобия Прандтля: Pr / a . (3) 2 Здесь a – температуропроводность жидкости, м /с. Число подобия Нуссельта: Nu h / . (4) 2 Здесь – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м ·К); – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м·К); h – высота стенки, м. При определении граничных условий на внутренней поверхности поршня ДВС учитывалось его принудительное опрыскивание маслом через отверстие в шатуне. Для более точного определения полей температур в исследуемых деталях задача решалась в 3D постановке в среде программного продукта I-DEAS. Обосновано рассмотрение задачи в стационарной постановке, т.к. на установившемся режиме колебания температур, связанные c цикличностью процесса сгорания топлива, имеют место лишь в поверхностных слоях тепловоспринимающих поверхностей. Колебаниями температур в поверхностных слоях деталей можно пренебречь, так как температуры поршней ДВС, на установившемся режиме практически не зависят от времени. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что расчёт температурных полей в поршнях исследуемого двигателя на установившемся режиме можно выполнять в стационарной постановке. Задача нахождения температур деталей решалась методом конечных элементов, так как МКЭ имеет преимущество перед прочими методами. Он позволяет анализировать задачу для тел сложных форм с произвольными очертаниями и граничными условиями. Кроме того, после определения температурного поля можно вести расчёт перемещений и напряжений для тех же элементов, для которых рассматривалась задача теплопроводности в той же конечно элементной дискретизации. Для лучшего описания геометрии поршней ДВС, безусловно, необходимо использовать трёхмерные конечные элементы. Вместе с тем, численное моделирование методом конечных элементов в 9 осесимметричной постановке оправдано применять только для геометрически осесимметричной части головки поршня. Конструкции юбок поршней явно не осесимметричны и, для получения достаточно реальных результатов, должны моделироваться только трёхмерными конечными элементами. 1. Постановка задачи 2.Построение 3D моделей исследуемых деталей ДВС 3. Разбиение на КЭ и задание механических характеристик материалов 4. Определение граничных условий на поверхностях исследуемых деталей ДВС 5. Расчёт температур 6.Сравнение расчётных температур с экспериментальными нет да 7.Конец Рисунок 1. Блок - схема определения температур в исследуемых деталях Теплоотвод от внутренней поверхности поршня осуществляется как в масляный туман, заполняющий картер, так и в масло. Масло поступает на внутреннюю поверхность поршня не постоянно, а парциально, через отверстие в шатуне, в которое оно, в свою очередь, попадает через коленчатый вал. Коленчатый вал имеет каналы в шатунной шейке, через которое масло из вала и поступает в шатун (см. рисунок 2). 10 отверстие для подачи масла на поршень шатун канал в шатуне колено вала канал в коленчатом вале Рисунок 2. Внутренняя геометрия колена вала и шатуна В результате вращения вала, в процессе работы двигателя, масляные каналы в коленчатом вале и шатуне перекрываются два раза за оборот. Расчёт коэффициента теплоотдачи на внутренней поверхности поршня во время опрыскивания его маслом проводился по формуле Э.Эккерта: ( x) U C2 , x 2 к (5) где – плотность масла, кг/м3; U – скорость масла, м/с; к – угол раствора клина см. рисунок 3 (для плоской поверхности ê =1); x – расстояние вдоль поверхности от оси струи; C2 0.56 (к 0.2)0.1 Pr 0.3330.067 0.026 . к к 2 Рисунок 3. Семейство клиновидных тел с различными углами при вершине Опрыскивание внутренней поверхности поршня осуществляется не всегда. Во время прекращения поступления масла через канал в шатуне 11 Коэффициент теплоотдачи Вт/кв.м·˚К теплоотвод от внутренней поверхности поршня осуществляется в масляный туман. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности поршня решалась задача нахождения средней скорости струи масла в зависимости от площади перекрытия масляного канала при вращении коленчатого вала. В результате решения были получены скорости масла в зависимости от величины перекрытия канала и найдены коэффициенты теплоотдачи с внутренней поверхности поршня. На рисунке 4 показано изменение среднего за оборот коленчатого вала коэффициента теплоотдачи в зависимости от расстояния от оси струи. при перекрытии каналов средний Расстояние от оси струи, м Рисунок 4. Коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности поршня В результате реализации алгоритма нахождения температур деталей, представленного на рисунке 1, были определены температуры в блоке цилиндров, головке блока цилиндров, поршне (рисунок 5 и таблица 1). Таблица 1. Сравнение замеренных и расчётных значений температур Максимальные значения Блок цилиндров,°C замеренное значение расчётное значение % № термопары замеренное значение расчётное значение % № термопары замеренное значение расчётное значение % Поршень,°C № термопары Головка блока цилиндров,°C 9 15 25 26 143 149 169 174 128 130 163 164 11.7 14.6 3.7 6.1 1 4 15 29 128 129 130 133 140 120 125 123 8.6 7.5 4.0 8.1 1 3 4 8 221 228 240 103 218 227 239 109 1.4 0.4 0.4 5.5 12 Определение температурных деформаций поршня Построение поверхности по облаку точек, полученных при вычитании из координат точек, образующих исходную поверхность, перемещения этих же точек после температурной деформации поршня Построение внешней поверхности поршня при помощи дуг окружности Расчёт НДС поршня и контактных давлений Изменение радиуса образующей окружности В третьей главе разработана методика и алгоритм для построения профиля поршня (см. рисунок 6). нет Pconti 1 Pconti Pconti 1 да Завершение итераций Рисунок 6. Алгоритм построения профиля поршня ( Pcont - контактные давления на боковой поверхности поршня на i-1, i, i+1 итерациях) Рисунок 5. Распределение температур по деталям ДВС 13 14 Рисунок 7. Исходный и деформированный вид поршня двигателя Рисунок 8. Деформированный вид гильз цилиндров 15 а) б) Рисунок 9. Распределение контактных давлений по боковой поверхности поршня ДВС (а) – базовый поршень ЗМЗ 405.10; б) – изменённый профиль, построенный при помощи дуг окружности) 16 МПа 79.47 63.60 47.72 31.84 15.97 0.09 Рисунок 11. Распределение амплитуды эквивалентных напряжений в базовом поршне 17 Для этого рассчитаны деформации деталей двигателя ЗМЗ 405.10, а именно, головки блока цилиндров, блока цилиндров и поршня (см. рисунок 7). Определена реальная геометрия гильз цилиндров двигателя с учётом температур, действующих в двигателе и усилий затяжки болтов крепления деталей. Для этого решалась задача совместного деформирования головки блока и блока цилиндров двигателя с учётом прокладки между сопрягаемыми деталями. При этом в расчётной модели были сохранены все силовые элементы блока цилиндров и головки. В результате расчёта НДС были получены деформации гильз цилиндров (см. рисунок 8). Задача профилирования сводится к определению допустимой геометрии юбки поршня, при которой внешняя поверхность юбки испытывает минимальные контактные давления со стороны зеркала цилиндра, распределённые таким образом, чтобы не было пятен контакта, которые свидетельствуют о возможных «задирах» юбки поршня в процессе его эксплуатации. Сложность решения задачи профилирования поршней состоит в том, что необходимо учитывать реальное изменение геометрии сопрягаемых деталей цилиндропоршневой группы. Это приводит к тому, что определение формы образующей профиля поршня необходимо искать итерационным методом, поскольку отследить изменение геометрии поршня при контактном его взаимодействии с деформированной гильзой цилиндра аналитическими методами невозможно. В связи с этим здесь предложено искать форму образующей профиля поршня методом последовательных приближений. При этом образующая строится не при помощи сплайна, а на базе дуг окружности, что существенно сокращает число изменяемых переменных при профилировании поршня. В результате был построен профиль поршня, при котором снижены величины контактных давлений на внешней поверхности поршня на 26% (см. рисунок 9). В четвёртой главе приведены результаты расчёта напряжённо – деформированного состояния и коэффициентов статической и усталостной прочности поршня с учётом его контактного взаимодействия с сопрягаемыми деталями. Области наложения контактов на поверхностях поршня и цилиндра изображены на рисунке 10. Параметры конечно-элементных моделей деталей приведены в таблице 2. В расчёте НДС поршня использовался 10-и узловой тетраэдрический конечный элемент. а) 18 б) Рисунок 10. Области наложения контактов между поршнем и гильзой цилиндра, поршнем и пальцем, шатуном (а) области наложения контактов, б) используемый в расчёте КЭ) Таблица 2. Параметры конечно – элементных моделей п/п 1 2 3 4 Название детали Поршень Гильза Поршневой палец Шатун число элементов 33646 14172 2304 3611 число узлов 57846 29788 5067 7173 Для определения коэффициентов запаса прочности рассчитывались амплитудные и средние значения напряжений действующих в поршне (см. рисунок 11). При анализе НДС, после определения амплитудных и средних значений напряжений, действующих в поршне, были найдены наиболее опасные области конструкции с точки зрения прочности. Это позволило более тщательно в дальнейшем оценить напряжённо – деформированное состояние именно в этих областях. В качестве опасных напряжений при определении указанных областей приняты уровни амплитудных и средних значений напряжений, т.е. рассматривались области с наибольшим уровнем амплитуд напряжений и соответствующие им значения средних напряжений. Для оценки работоспособности деталей с концентрацией напряжений наибольшее практическое применение получило условие разрушения в виде (см. Биргер И.А. Расчёт на прочность деталей машин. – М.: Машиностроение, 1979. – 702 с.): k ia m 1 , (6) 19 где k – эффективный коэффициент концентрации напряжений в элементах поршня; –масштабный коэффициент, учитывающий влияние абсолютных размеров детали на усталостную прочность, который определяется по формуле: ( 1 ) e l d p . (7) Здесь 0.4 – для литых материалов; l 0.02 мм-1; dp – характерный размер поршня, мм. – коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхности детали на усталостную прочность: Т кор уп . (8) Здесь Т – коэффициент, отражающий влияние шероховатости; кор – коэффициент, отражающий влияние коррозионной среды; уп –коэффициент, отражающий влияние упрочняющих технологий. iа – интенсивность переменных напряжений: ia 1 2 2 2 ( xa ya ) 2 ( ya za ) 2 ( za xa ) 2 6 ( xya yza zxa ). 2 Здесь xa … zxa – амплитуды компонентов переменных напряжений. – коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла: 0 , при 1 1 1 m в в m 0; , при m 0; где m – определяется как наибольшее главное напряжение: Здесь xm … zxm - компоненты средних напряжений. 1 – предел выносливости материала при симметричном цикле, МПа. Вычислялись коэффициент запаса прочности при одновременном увеличении амплитудных и средних напряжений по формуле: 1 n . (9) k ia m Также определялись коэффициенты запаса прочности по переменным напряжениям (увеличение амплитуды при постоянных средних напряжениях): 20 na 1 m ia . k (10) Коэффициенты запаса прочности по пределу текучести и пределу прочности определялись соответственно по формулам: nТ Т ; экв nВ В , экв где экв – интенсивность действующих напряжений, МПа; Т – предел текучести, МПа; В – временное сопротивление, МПа. Из анализа результатов расчёта НДС поршня был сделан вывод, что изменение его профиля влияет на распределение напряжений в теле поршня, при снижении контактного давления на юбке поршня, в результате её профилирования, увеличились коэффициенты запаса как усталостной, так и статической прочности. В ходе анализа НДС поршня была найдена возможность снизить его вес на 12.6%. Для этого была существенно изменена конструкция поршня (см. рисунок 12) в областях: 1) изменены бобышки: а) внутренняя кромка (разделка опоры под палец путём снятия пологой фаски); б) снятие материала с нижней части бобышки под углом; 2) изменены опорные рёбра бобышек, вместо двух рёбер введено одно; 3) в боковых стенках поршня, с внутренней его стороны, выбран металл; 4) укорочена юбка поршня. При этом коэффициенты запаса статической и усталостной прочности выросли, по сравнению с базовым вариантом поршня, на 30%–35%. Произведена оценка вероятности нарушения условий статической и усталостной прочности базового и модернизированного поршня на основе законов нормального распределения характеристик прочности и нагрузок. 21 Рисунок 12. Новая геометрия поршня. а) базовый поршень; б) облегчённый (1, 2, 3, 4 – области изменения геометрии поршня) Основные результаты и выводы по работе В данной работе излагается методика расчёта термонапряжённого состояния деталей двигателя внутреннего сгорания, таких как блок цилиндров, головка блока цилиндров, поршень. В результате были решены следующие задачи: 1. Разработаны: – алгоритм и методика определения температурного состояния блока цилиндров, головки блока цилиндров, поршня в трёхмерной постановке; – алгоритм расчёта минимальных контактных давлений на боковой поверхности поршня с учётом деформации сопрягаемых деталей; – способ задания боковой поверхности поршня; – инженерная методика расчёта коэффициентов запаса статической и усталостной прочности для поршней ДВС. 2. Построен новый поршень для двигателя ЗМЗ 405.10 с уменьшенной на 12.6% массой и улучшенными, по сравнению с базовой моделью, прочностными показателями. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы: – предложенные инженерные методики позволяют оперативно оценить работоспособность вновь спроектированного или 22 модернизированного поршня; – разработанные методики имеют практическую значимость для предприятий автомобильной промышленности, в том числе предприятий, занимающихся доводкой и модернизацией существующих двигателей и автомобилей; – изложенные подходы к проектированию поршней ДВС позволяют минимизировать массу при обеспечении необходимой прочности. Список публикаций по теме диссертации: 1. Волков В.М., Пищаев О.А. Оценка жёсткости головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ 4062.10. Труды V Международной конференции - «Научно – технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения». Санкт – Петербург, 2003. с. 102-103. 2. Волков В.М., Пищаев О.А. Определение деформированного состояния корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания при изотропном статическом нагружении их. Сб. науч. трудов НГТУ. «Современные проблемы прикладной механики». Н. Новгород, 2004. с. 40-44. 3. Волков В. М., Пищаев О.А. Учёт совместной деформации головки блока цилиндров при профилировании поршней. Сб. науч. трудов РАН. Нижегородский филиал института машиноведения им. А.А. Благонравова. «Прикладная механика и технологии машиностроения». Н.Новгород, 2005. Выпуск 1(8). с. 64-68. 4. Кузьмин Н.А., Голубев О.П., Пищаев О.А. Профилирование головок поршней карбюраторных двигателей ЗМЗ. Том 1. III Всероссийская научно – техническая конференция «Современные тенденции развития автомобилестроения в России». Тольятти. 2004. с. 102. 5. Пищаев О.А. Определение напряжений и деформаций в корпусных деталях автомобильного двигателя. Труды III Всероссийской молодежной научно – технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, 2004. с. 184-185. 6. Пищаев О.А. Профилирование юбок поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями цилиндропоршневой группы. Труды 10 Нижегородской сессии молодых учёных. Дзержинск, 2005. 7. Пищаев О.А. Оптимизация вертикального и горизонтального профиля юбки поршня. Труды IV Всероссийской молодёжной научно – технической конференции «Будущее технической науки». Н.Новгород, 2005. с. 122-123. 8. Волков В.М., Пищаев О.А. Расчёт термонапряжённого состояния поршня с учётом деформирования корпусных деталей двигателя внутреннего 23 сгорания. // Проблемы прочности и пластичности. Н. Новгород. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2006. № 68. с. 244-246. 9. Пищаев О.А. Расчёт термонапряжённого состояния корпусных деталей двигателя внутреннего сгорания. Труды Всероссийской научно – технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве». Н.Новгород, 2006. с. 401404.