Двовимірний скінченноелементний аналіз контактних задач із врахуванням теплообміну

Четвертий розділ присвячено дослідженню термонапруженого стану конструкцій із врахуванням теплообміну між їх співдотичними поверхнями.

У підрозділі 4. 1 розглянуто термонапружену посадку турбінного диска на вал, яка здійснюється його нагрівом до температури теплового збору. Охолодження забезпечується перепуском води по розточці валу і за допомогою повітря через решту поверхні. Натяг повинен бути достатнім для того, щоб після його послаблення при робочому числі обертів, контактний тиск між диском і валом міг передавати необхідний крутильний момент. Розглядалась нестаціонарна задача при ідеальному просковзуванні і з врахуванням тертя. На рис. 3 представлена розрахункова схема конструкції з ізотермами розподілу температур для часу 8 хвилин від моменту збору. Врахування сил тертя зменшує зону контактної взаємодії. При ідеальному контакті диск з валом був з'єднаний через 8 хвилин, а при наявності тертя – тільки через 20. Далі задача розв'язувалась спочатку при робочих обертах (спостерігалось падіння контактних напружень) ; потім при критичних =377 рад/с (відбулося часткове звільнення диска від валу, причому при ідеальному контакті зона відриву була в 1, 5 рази більша) ; далі оберти були повернені до нормальних (при цьому зріс контактний тиск, а при врахуванні тертя частина поверхні почала просковзувати в зворотньому напрямку). На рис. 4 представлений розподіл контактних напружень, який встановився в конструкції.

Таким чином, розроблена методика та програмне забезпечення дають змогу моделювати технологічні процеси теплового збору з врахуванням історії навантаження, розрахувати режими нагріву конструкції для здійснення розбору, відстежити при цьому появу пластичних деформацій.

Розглянута постановка моделювання термомеханічних процесів коректна саме в рамках термоконтактної задачі, особливо з врахуванням тертя між деталями.

У підрозділі 4. 2 представлено результати дослідження впливу монтажного зазора на НДС жарового кільця двотактного дизеля. Для цієї конструкції в літературі відомі рішення без врахування зміни теплообміну в зоні контакту при зміні монтажного зазора. У даній роботі розглядається осесиметрична термоконтактна задача з умовами теплообміну на ділянці можливого контакту з гільзою, що визначаються в процесі розв'язання і залежать від розподілу контактного тиску. З метою спрощення постановки, розглядалася задача про штамп. Розрахункова схема конструкції представлена на рис. 5. Деформаціями гільзи від взаємодії з кільцем нехтували, задаючи переміщення дзеркала, змінне вздовж циліндра. З боку зовнішньої поверхні кільця задається середня за цикл роботи дизеля температура дзеркала і великий коефіцієнт теплообміну. Між зовнішньою торовою (R=640мм) поверхнею кільця і дзеркалом вводиться контактний шар, що враховує монтажний зазор і односторонню взаємодію поверхонь. Розглядалися три варіанти монтажного зазора 0, 12; 0, 18; 0, 24 мм, які відповідають переміщенням точки z=1 зовнішньої поверхні кільця 0, 21; 0, 24; і 0, 27 мм в районі форсуночного поясу та 0, 16; 0, 19; 0, 22 мм в зоні вікон. Середній контактний тиск між гільзою і кільцем для розрахунку температурного поля визначався для трьох положень: 1) в районі форсуночного поясу в момент максимального тиску газів (р=14МПа) ; 2) в районі форсуночного поясу до початку подачі палива (р=8 МПа) ; 3) в районі вікон після їх закриття, коли тиск мінімальний (р=0, 2МПа). Хоча граничні умови теплообміну з боку гільзи задавались середніми за цикл роботи, в кожному положенні має місце різний характер розподілу контактних напружень і полів температур. В дійсності температура не повинна зазнавати значних змін за цикл роботи двигуна, тому за результатами розрахунків був заданий усереднений контактний тиск і одержано стаціонарне температурне поле кільця, загальне для всіх його положень. З цим полем і розв'язуються кінцеві контактні задачі для визначення розмаху напруженого стану кільця.

Розподіл температур на зовнішній поверхні кільця в залежності від величини монтажного зазору наведено на рис. 6. Найбільш близьким до оптимального для даної конструкції являється зазор 0, 18 мм, розподіл контактного тиску для нього представлено на рис. 7, де криві 1-3 відповідають трьом положенням кільця. Температурне поле для цього випадку зображено на рис. 5. При зменшенні зазору контактний тиск значно зростає, що може призвести до задиру поверхні.

Окружні напруження – максимальні по величині і складають основну частину еквівалентних, розмах яких визначається зміною радіуса гільзи вздовж осі за рахунок температури і тиску газів. Осьові напруження несуттєво залежать від величини зазору і мало збільшуються із зростанням тиску газів, так як формуються, в основному, за рахунок згину манжети.

Одержані результати дозволяють оцінити термонапружений стан кільця і його здатність відстежувати зазор по відношенню до дзеркала гільзи. Врахування практично всіх важливих факторів, які визначають умови роботи жарового кільця, підвищує цінність розрахунків на етапі проектування і доводки двигуна, дало змогу на основі використання термометричних даних для попередньої моделі кільця з зовнішнім діаметром 120 мм визначити НДС для кільця з діаметром 140 мм.

У підрозділі 4. 3 наведено розрахунок температурних полів та НДС гільзи циліндра двотактного дизеля, яка має досить складну конструктивну форму, що визначається 42 напівкруглими каналами для охолодження, бандажована з натягом 0, 02 мм зовнішнім циліндром для достатньої жорсткості в районі форсуночного поясу. Максимальні напруження оцінювались за допомогою наближених плоскої (рис. 8) і осесиметричної (рис. 9) розрахункових схем. Дослідження термонапруженого стану на основі плоскої моделі здійснені по поперечному перетину гільзи в районі форсуночного поясу, де