Основы расчета на прочность деталей двигателей внутреннего сгорания


Для оценки тепловой напряженности узлов и деталей двигателя используют как характеристики теплового состояния, так и значения возникающих при этом напряжений и деформаций. Последние являются также характеристикой напряженности деталей, находящихся под действием только механических нагрузок.

В практике двигателе-строения в большинстве случаев первым этапом определения напряженно-деформированного состояния детали является расчет в упругой области работы ее материала.

Важно знать тепловое состояние детали, так как, с одной стороны, от него зависят значения и распределение температурных напряжений, а с другой стороны, теплофизи-ческие характеристики и прочностные свойства материала.
Тепловая и механическая напряженность деталей двигателя
Создание комбинированных двигателей с высокими техни-ко-экономическими показателями связано с решением ряда сложных проблем, одна из которых-высокая тепловая и механическая напряженность основных деталей двигателя. Понятие тепловой напряженности деталей утратило свою первоначальную количественную характеристику как поле абсолютных значений температур и их градиентов и превратилось в более общее качественное понятие.
Предельные состояния, несущая способность и запасы прочности существенно зависят от условий, в которых работает та или иная деталь. В условиях, типичных для работы деталей двигателей внутреннего сгорания, разрушениям, наступающим после длительной работы, предшествуют пластические деформации материала. Эти деформации и процесс их развития, включая накопление остаточных напряжений, оказывают наибольшее влияние на прочность деталей.
Таким образом, для более полного решения проблемы необходимо провести комплекс взаимосвязанных расчетов, начиная с решения в общем случае нелинейной нестационарной задачи теплопроводности и кончая определением критериев прочности деталей в условиях неизотермического нагружения.
Расчеты в упругопластической области и особенно при повышенных температурах с учетом фактора времени весьма трудоемки, а для сложных по форме деталей они еще не разработаны. Часто расчета в упругой области оказывается достаточно для последующей оценки прочности в первую очередь деталей, работающих под действием только механических нагрузок. Даже для теплонапряженных деталей при сравнительном анализе различных вариантов конструкции той или иной детали успешно используют результаты так называемого упругого расчета.
Таким образом, прежде всего следует рассмотреть основы определения напряженно-деформированного состояния деталей в рамках термоупругой задачи.
Напряженно-деформированное состояние деталей двигателя и методы его определения
Так как шесть компонент деформации определяются тремя составляющими перемещения, то между ними существуют определенные зависимости, представляющие собой шесть условий совместности деформаций.
Неизвестными в задаче теории упругости являются 15 величин, а именно шесть компонент напряжения, три составляющих перемещения и шесть компонент деформации. Для их определения имеется соответствующее количество уравнений [включая системы уравнений (1) и (2)], составляющих систему уравнений теории упругости. В эту систему входят также уравнения равновесия о многих важных для практики случаях необходимо применять уточненные методы расчета и прежде всего методы теории упругости, позволяющие определить напряжения и деформацию тел произвольной геометрической формы при достаточно общих условиях на-гружения.
где X, Y, Z-объемные силы, т.е. силы, отнесенные к единице объема тела (к ним относятся, например, центробежные силы инерции, возникающие при вращении вала двигателя или дисков ротора турбокомпрессора).
Уравнения связи между деформациями и напряжениями, выражающие обобщенный закон Гука,

где E, G- модули упругости материала соответственно первого и второго родов; соответственно коэффициент Пуассона и коэффициент линейного расширения материала; Т-изменение температуры при работе в рассматриваемой точке детали по сравнению с исходным (нерабочим) состоянием.
Граничные условия
Однозначное решение задачи теории упругости обеспечивается при удовлетворении условий равновесия на границе тела статическим граничным условиям: где X., Уу, Zv-составляющие поверхностной силы, отнесенной к единице площади поверхности тела; /, т, м-направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности тела.
Иногда исходными данными могут быть не статические, а кинематические граничные условия. В этом случае задают смещения граничной поверхности тела.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10