Введение
«В каждом двигателе внутреннего сгорания есть различные детали, которые прямо или косвенно связаны друг с другом. Чтобы преобразовать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала, поршень соединен с коленчатым валом с помощью шатуна и поршневого пальца ». «Вместе с кривошипом они образуют простой механизм, который преобразует линейное движение во вращательное движение».
«Процесс сгорания топлива в камере сгорания приводит к нагрузкам на поршень и передается на коленчатый вал через шатун. Один конец шатуна, известный как малый конец, соединен с поршнем через шплинт, а другой конец, известный как большой конец, соединен с коленчатым валом через шатун. Шатуны, как правило, состоят из кованой I секции. В двигателе внутреннего сгорания большого размера используются шатуны прямоугольного сечения, так что его момент инерции легко и эффективно оценивается. В таких случаях большие размеры сохраняются в плоскости вращения ».
«В бензиновом двигателе большой конец шатуна, как правило, разделен, чтобы обеспечить его закрепление вокруг коленчатого вала. Отверстия подходящего диаметра предусмотрены для размещения болтов шатунов для зажима. Большой конец шатуна зажимается коленчатым валом с помощью болта шатуна, гайки и шплинта или шплинта. Как правило, в качестве материала для изготовления шатуна используется обычная углеродистая сталь, но там, где малый вес является наиболее важным фактором, алюминиевые сплавы являются наиболее подходящими. Никель, легированная сталь также используются для шатуна двигателя. Шатун, будучи сам по себе жестким, может передавать либо толчок, либо тягу, и, таким образом, шток может вращать кривошип через обе половины оборота, то есть толкание поршня и тягу поршня ».
Общая модель шатуна и его соответствующие силы должны быть эффективно проанализированы с использованием ANSYS, так что все напряжения, возникающие в шатуне, также должны определяться одновременно с совершенством. Изучение влияния этих напряжений позволяет нам убедиться, что шатун не выйдет из строя при экстремальных нагрузках, связанных с высокими степенями сжатия бензинового двигателя.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Основной целью проекта является определение напряжений Вонзиса, напряжений сдвига, общей деформации, зависимости сетки, анализа усталости и оптимизации существующего шатуна. В проекте показан только статический анализ конечных элементов шатуна, выполненный с помощью ANSYS WORKBENCH 13.
Условия нагрузки на шатун меняются со временем; поэтому важно изучить изменение давления из-за изменений в углах поворота коленчатого вала. Целью проекта является реализация всех концепций, используемых в классах конечных элементов, поскольку шатун проходит через различные условия нагрузки с многоосными напряжениями и деформацией.
ТРУДНОСТИ
Условия естественной границы:
Нагрузка приложена к концу поршневого пальца шатуна, который, как предполагается, имеет синусоидальное распределение давления по площади поверхности. Конец поршневого пальца подвергается как растягивающим, так и сжимающим напряжениям из-за движения шатуна внутри поршневого цилиндра.
Основные граничные условия:
Коленчатый конец шатуна имел все степени свободы, зафиксированные для половины внутренней круглой области, когда нагрузка приложена к концу поршневого пальца.
ВЫЗОВЫ
• Несовпадение элементных и узловых решений для конкретного типа элемента доказало, что выбор элемента был неправильным. Чтобы преодолеть эту проблему, элементные и узловые решения для различных типов элементов были нанесены на график против активного числа степеней свободы для получения оптимального числа степеней свободы.
Небольшой конец шатуна испытывает максимальное напряжение из-за периодического контакта с втулкой и штифтом в сборе. Периодическое приложение напряжений влияет на усталостную прочность соединения. Общая локализация анализа только для малого конца не позволяет провести анализ усталости шатуна. Чтобы преодолеть эту проблему и уменьшить сложность анализа, анализ усталости был проведен в основных точках стресса.
Предположения
Шатун представляет собой твердое вещество с изоэнтропическим материалом.
Поршневой палец и втулка не считаются частью узла шатуна.
Максимальная растягивающая нагрузка меньше максимальной сжимающей нагрузки; поэтому силы прилагаются к нижней части поршня.
Термические и сдвиговые деформации не учитываются.
Коленчатый конец шатуна полностью зафиксирован во всех степенях свободы.
НАСТРОЙКА МОДЕЛИ
Геометрия шатуна соответствует приведенной ниже модели. Командный файл ANSYS, используемый для моделирования, приведен в приложении. С учетом приложения сил и геометрии шатуна была разработана осесимметричная модель. Осесимметричная модель уменьшает количество используемых узлов, что помогает получить лучшее уточнение сетки и точные результаты.
Идеализация
С помощью идеализации мы можем преобразовать физическую модель в математическую модель системы, тем самым уменьшая сложность физической задачи.
С дискретизацией математической модели мы можем уменьшить количество степеней свободы до конечного числа. С учетом пространственной дискретизации и пренебрежения дискретизацией по времени для статического анализа шатуна степени свободы дополнительно уменьшаются. Применение ограничений к коленчатому концу шатуна помогло создать дискретную модель для анализа. С помощью идеализации степень свободы определялась в рамках фиксированной границы. Напряжения из-за теплового расширения и напряжения на штифте игнорировались. Переходные и статические анализы были рассмотрены с помощью идеализации.
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТА
Для получения точных результатов мы выбрали SOLID186, структурное тело из двадцати узлов, используемое для трехмерной структуры. Элемент имеет три степени свободы в каждом узле и перемещается в узловых направлениях x, y и z. Элемент поддерживает пластичность, гиперэластичность, жесткость при напряжении, ползучесть, большой прогиб и большие деформации.
ЗАВИСИМОСТЬ ОТ КРИТИЧЕСКИХ УЗЛОВ
Точность анализа, как было установлено, изменяется с числом степеней свободы. Элементарные и узловые решения для различного числа степеней свободы были построены, чтобы найти сходящуюся точку. Было отмечено, что наименьший процент ошибок был получен при 33288 степенях свободы. Количество степеней свободы рассчитывалось путем учета активного числа узлов и умножения его на количество степеней свободы одного узла (UX, UY, UZ). Таблица для ограниченного узла приведена в приложении 4.
ЭЛЕМЕНТ против НОДАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
Подтверждение локального анализа может быть сделано только путем глобального анализа. Максимальные элементные и узловые решения с числом степеней свободы были нанесены на график для получения точки сходимости. Полученные результаты были аналогичны результатам анализа критических узлов, т.е. сходимость наблюдалась при 33288 числах степеней свободы. Поэтому анализ по модели был выполнен с учетом 33288 числа степеней свободы.
Усталость и переходный анализ
Амплитуда напряжения (S) против Циклы до отказа (N), т. Е. Теория долговременного напряжения использовалась для анализа усталости выбранного шатуна. Это подразумевает, что компонент будет иметь бесконечный срок службы для ряда циклов нагрузки до 10-7 циклов нагрузки.
Поскольку нагрузка на шатун носит циклический характер, результаты должны быть объединены для желаемого значения альтернативных и средних напряжений для каждого рабочего условия. Переходный анализ был проведен путем применения альтернативных напряжений. Сначала сжимающая нагрузка в 49,98 кН применялась на конце штифта в течение от 0 до 0,02 секунды, а затем аналогичная нагрузка в 49,98 кН в противоположном направлении в течение от 0,02 до 0,04 секунды, подвергавшаяся 500 000 циклов нагрузки.
МОДЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Смещение и деформация шатуна
Шатун показывает смещение 0,060199 мм под действием поверхностных сил 49,98 кН на конце поршня шатуна. Из рисунка 1.8 можно предположить, что максимальное отклонение имеет место при меньшем ушке шатуна.
Анализ напряжений фон Мизеса шатуна
Из узлового решения для напряжения Фон Мизеса видно, что максимальное напряжение находится в нижней части конца поршня. При приложении сжимающих сил поверхностного давления 48,98 МПа на шатуне видны напряжения 261,851 МПа. Усовершенствование сетки с размером элемента 1 мм в областях 14 и 17, которые подвергаются высоким напряжениям, помогло получить лучшие результаты. Напряжения, полученные вблизи окружности конца поршня, показали уровни напряжений до 200 МПа, тогда как напряжения вдоль балки составляют примерно 100 МПа.
Высокие напряжения в нижней части конца поршня показывают возможности для геометрической оптимизации, которая является областью будущего анализа для нашего окончательного проекта.
Приложение сил поверхностного давления к концу поршня шатуна под разными углами
При статическом анализе шатуна силы прикладываются не только к нижней части конца поршня, но и везде на внутренней окружности конца поршня. Для правильного анализа напряжения Фон Мизеса на стержне силы были рассчитаны при различных угловых сечениях путем подстановки сил в приведенной выше формуле. Силы с различным поперечным сечением создают разные напряжения и смещения, как показано на рисунке 1.12, что приводит к изгибу, растяжению и сжатию шатуна. Максимальное значение напряжения наблюдалось при приложении усилий к нижней части поршня.
ЭЛЕМЕНТ против ОЖИДАНИЙ
Для выбора правильного элемента для анализа были использованы различные твердые элементы, такие как solid45, solid92, solid95, solid185, solid186 и solid187. Значения напряжения фон Мизеса от этих твердых веществ сравнивали, как показано в таблице 1.2 в приложении. Solid45 и Solid 185 не учитывались, так как их результаты не совпадали со значениями других твердых тел.
Из всех возможных твердых элементов, учитывая результаты и количество узлов, solid186 был выбран для нашего анализа шатуна.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Учитывая будущий анализ, который включает в себя отображение сетки, элемент, который поддерживает максимальное количество узлов, то есть SOLID186, был выбран для анализа.
Предполагая, что шатун является компонентом «Мицубиси 2,5-литровый двигатель V6 (6G73)», график зависимости давления от угла поворота коленчатого вала был получен с помощью программного обеспечения Engine Sim. Из приведенного выше графика максимальное давление 11070 кПа наблюдалось при угле поворота 00 °.
Глобальный и локальный анализ шатуна был составлен в зависимости от числа степеней свободы, чтобы получить оптимальное число степеней свободы, то есть 33288 активных чисел степеней свободы.
Путем выполнения соответствующих расчетов были получены силы, действующие на шатун. ANSYS WORKBENCH 13.0 использовался для анализа шатуна. В соответствующих местах были определены максимальная деформация 0,060199 мм, результирующее смещение и максимальное напряжение фон Мизеса 261,851 МПа.
Аналогичные моделирования были выполнены с применением соответствующих угловых сил на внутренней окружности конца поршня шатуна, чтобы сравнить влияние напряжений.
Статический анализ шатуна доказал, что он может выдерживать нагрузку 49,98 кН без сбоев. При коэффициенте безопасности 0,5 и циклической нагрузке 49,98 кН из анализа усталости было обнаружено, что стержень может работать без перебоев бесконечное число циклов.
Заключение
До сих пор весь анализ был ограничен глобальной моделью, которая показывает системные напряжения и смещения с глобальной точки зрения. Лучшие и точные результаты были получены при выполнении локальных моделей моделирования. Уточнение сетки симметричной геометрии шатуна было сделано для получения лучших результатов с минимальным количеством узлов. С учетом всего этого шатун, подверженный бесконечному количеству циклов в течение срока службы, с сжимающей и растягивающей нагрузкой в каждом цикле, подвергался анализу усталостного разрушения.
Цель этого эксперимента – получить представление о полностью настраиваемой программе LabVIEW и понять, как инженеры используют программу в своих интересах, чтобы создать собственную лабораторию, которая
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НА РАБОЧЕМ МЕСТЕ. Быть продуктивным на работе может порой быть сложной задачей. Онлайн-сервисы позволили большинству компаний оставаться продуктивными на современном конкурентном рынке. Онлайн-сервисы
Кибербезопасность или защита информационных технологий – это методы защиты компьютеров, сетей, программ и данных от несанкционированного доступа или атак, направленных на эксплуатацию. Существует четыре типа