Попович В.С.
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО – ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАК
ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕХНИКИ
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО –
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КАК ЭФФЕКТИВНЫЙ
МЕТОД РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕХНИКИ
Изучение
работоспособности конструкций и машин - одна из традиционных областей техники.
При разрушении инженерных конструкций возможны человеческие жертвы и поэтому
поведение (работоспособность) конструкций исследуется с предельной
тщательностью. Как бы ни смотреть на эту проблему, нам никуда не уйти от того факта,
что каждая область техники в большей или меньшей степени связана с вопросами
прочности, которые в настоящее время требуют комплексного подхода их решения. В
основу такого подхода должны быть положены фундаментальные и прикладные
исследования в области прочности, динамики и надежности машин, проведение
опытно-конструкторских и экспериментальных работ. Система
комплексного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и
динамических процессов машин включает численные методы термомеханического анализа
НДС сложных конструкций (узлов и механизмов) с учетом их функциональных
назначений, прогнозирование возможных зон разрушения на основе образования и
развития трещин, вероятностно-статистические методы анализа реальных режимов
работы машин, методы оптимизации конструктивных параметров сопряженных деталей,
определение и прогнозирование параметров надежности и долговечности.
В АлтГТУ
предложен, обоснован и реализован комплексный подход в исследовании
напряженно-деформированного состояния и динамических процессов сопряженных
деталей двигателей внутреннего сгорания. Разработаны методологические основы
математического моделирования НДС сложных конструкций ДВС. Для ответственных
деталей двигателя, таких как блок-картер, головка цилиндров, крышка коренного подшипника,
коленчатый вал математическая модель основывается на МКЭ и представляет
совокупность расчетных схем, систем уравнений, граничных и кинематических
условий. При дискретизации конструкций использовались изопараметрические
конечные элементы.
Математическая модель
НДС коленчатых валов построена на основании метода расчета по неразрезной схеме
статически неопределимых систем многоопорных коленчатых валов. Алгоритм расчета
представлен в матричной форме. В основу математической модели
гидродинамического расчета подшипников скольжения ДВС положена оценка
предельной несущей способности, определяемой минимальной толщиной масляного
слоя и ограничением максимальной температуры смазки в зазоре подшипника.
Разработана методика
учета реального периодического характера изменения нагрузок путем преобразования детерминированного (расчетного) или
случайного экспериментального характера частоты изменения напряжений в
зависимости от режимов работы двигателя к определенному теоретическому закону
распределения. Получены аппроксимирующие зависимости на основе количественных
статистических характеристик. Вероятностно-статистические методы, использующие
критерии НДС двигателей, используются в дальнейшем для определения
количественных оценочных параметров надежности и долговечности сложных узлов и
двигателя в целом, прогнозирования нормированного их уровня.
На основании
критериев НДС разработаны математические модели оптимизации
конструктивных параметров сопряженных деталей коренного опорного узла двигателя.
Для поиска оптимального решения применялись метод Хука-Дживса
последовательного изменения параметров вокруг базисной точки по образцу, метод
покоординатного спуска Гаусса-Зейделя и симплексный метод деформируемого
многогранника Нелдера-Мида. Процесс выбора
оптимального варианта проектируемого коренного опорного узла включает
целенаправленное изменение конструктивных параметров сопряженных деталей,
оценки их НДС при математическом моделировании. При построении математической
модели оценки и прогнозирования надежности и долговечности учитывается уро-
вень эксплуатационной напряженности и
значения несущей способности материала детали как независимых случайных
величин, имеющих известные законы распределения. Для количественной оценки
прогнозируемого нормированного уровня ресурса используется усталостная
долговечность детали, полученная с учетом двух стадий (до и после появления
трещин).
Проведены работы
натурного тензометрирования в статических условиях и
на работающих двигателях коленчатых валов, крышек коренных подшипников и элементов
блок-картера дизелей типоразмерного
ряда 4ЧН 13/14 и в 6ЧН 13/14. Получены численные данные значения упругих
характеристик деталей узла двигателя, проанализировано влияние некоторых
факторов (зазоров, износов, затяжки резьбовых соединений) на характер изменения
динамических процессов. Обработка результатов тензометрирования
выполнена с использованием вероятностно-статистических методов. Используя
полученные в результате обработки осциллограмм статистические характеристики,
определялись статистические запасы прочности, связи реализаций изменения
напряжений с режимами работы двигателя методами корреляционного и
регрессионного анализов. Частотный состав анализировался методами спектрального
анализа на основе преобразования Фурье.
С понятием надежности
и долговечности тесно увязано разрушение, как потеря функциональных свойств
конструкций. По тем или иным причинам конструкция перестает удовлетворять
своему назначению. В этом аспекте разрушение конструкции рассматривается в
широком смысле слова как изменение свойств материала. Разрушение при циклически
изменяющихся напряжениях (усталостное разрушение) является частным проявлением
общих свойств материала. Если же придерживаться той точки зрения, что за
разрушение несет ответственность напряженное состояние, то под разрушением
материала следует понимать образование первых микротрещин.
Дальнейшая работа
направлена на совершенствование разработки основ оптимального конструирования
машин различного назначения, создания автоматизированной системы проектирования
и методов оценки и прогнозирования надежности и долговечности при широком
использовании вычислительной техники. Это позволит решать вопросы разработки
новой техники, конкурентоспособной в современных рыночных условиях.