CC BY
49
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГОСТ 10060.0-95. Методы определения морозостойкости бетона. М. : Госстрой России, «ГУП ЦПП», 1995. 10 с.
2. СНиП 52-101-200. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М. : «ГУП НИИЖБ», 2003. 14 с.
3. Пинус Б. И. Обеспечение долговечности функционирования железобетонных конструкций при низкотемпературных воздействиях : дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М., 1985. 367 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Пинус Борис Израилевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительные конструкции», Иркутский государственный технический университет, тел. (3952) 40-54-67; e-mail:pinus@istu.edu
Пинус Жанетта Наумовна, преподаватель, Межрегиональный сибирский колледж строительства и предпринимательства, г. Иркутск, тел. (3952) 230579.
Pinus B.I., Doctor of Technical Sciences, professor, Head of "Civil Engineering Constructions" department at Irkutsk State Technical University, tel.: (3952) 40-54-67, e-mail:pinus@istu.edu
Pinus J.N., Teacher, Sibir Interregional College of Civil Engineering and Entrepreneur-ship, Irkutsk, tel.: (3952) 23-05-79
УДК 621.81.(075.8)
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПРОЧНОСТИ ШАТУНА ДВС В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
СРЕДЕ МОДУЛЯ APM STRUCTURE 3D СИСТЕМЫ APM WINMACHINE
В.Б. Распопина, Е.А. Бодров, А.А. Ковалёв
Был выполнен численный эксперимент в автоматизированной среде программного комплекса APM WinMachine. Целью эксперимента являлось построение полей напряжения шатуна ДВС при максимальном силовом воздействии на него в пределах рабочего цикла; качественная оценка данных полей и сопоставление их характера с эпюрами напряжений, полученными с помощью традиционных методик, основанных на методах сопротивления материалов и деталей машин.
Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, шатун, конечно-элементная модель шатуна, параметры напряжённого состояния, поля напряжений.
ASSESSMENT OF STRENGTH PARAMETERS IN REGARD OF A DBC CONNECTING RODIN THE AUTOMATED SURROUNDINGS OF AN APM STRUCTURE 3D
COMPONENT CELL PERTAINING TO AN APM WIN MACHINE SYSTEM
V.B. Raspopina, E.A. Bodrov, A.A. Kovalyov
A numerical experiment has been carried out in the automated surroundings designed by an APM WinMachine software package. The aim of the experiment was to construct the stress fields generated by the DBC connecting rod while under a maximum force action within an operation cycle, a proper estimation of these fields and a juxtaposition of their properties with the diagram of stresses obtained with the help of traditional methodology which is based on the methods similar to those of resistance of materials and parts of mashines.
Key words: internal combustion engines, connecting rod, finite element model of a connecting rod, parameters of a stress condition, stress fields.
Современные технологии выполнения инженерных расчётов позволяют осуществить проверочные и проектировочные расчёты конструктивных элементов любой сложности при любых видах и условиях нагружения. Данные технологии основаны на использовании современных программных средств, позволяющих построить достоверные расчётные модели реальных деталей и выполнить их анализ.
В основе методов решения проблем инженерного анализа данного типа, как правило, лежит МКЭ. Его реализация стала возможной только благодаря достижению вычислительной техникой определённого уровня развития. Среди зарубежных разработок данного типа выделяются программные продукты ANSYS и NASTRAN. Одним из наиболее известных отечественных аналогов является система автоматизированного расчёта и проектирования машин, механизмов и конструкций APM WinMachine.
Используя соответствующие возможности системы APM WinMachine, был выполнен численный эксперимент, целью которого являлись: анализ параметров состояния шатуна двигателя внутреннего сгорания (рис. 1), определяющих его напряжённое состояние, и сопоставление полученных данных с результатами, достигнутыми с помощью традиционной методики анализа конструктивных элементов двигателей внутреннего сгорания. Основными инструментами реализации численного эксперимента послужили модули системы APM Studio и APM Structure 3D [1].
Формированию расчётной схемы шатуна, предназначенной для прочностного расчёта, предшествует кинематический и динамический анализы кривошипно-шатунного механизма, из которых следует, что элементы шатуна работают в условиях знакопеременных и переменных напряжений. Результатом кинематического и динамического анализов механизма является система сил, обусловленная давлением газов в цилиндре и силами инерции движущихся масс. Силами трения пренебрегают (рис. 2).
В данном случае величины соответствующих сил зависят от протекающего процесса рабочего цикла поршневого двигателя. Данная закономерность формализована в виде зависимости сил от положения шатуна. Положение шатуна отображено через угол поворота кривошипа ф° (рис. 3).
Прочностной расчёт шатуна сводится к анализу параметров напряжённо-деформированного состояния в поршневой головке, в стержне, в кривошипной головке, в стержнях болта. В рамках данного исследования были проанализированы параметры состояния прочности в поршневой головке и в стержне шатуна.
В частности, поршневая головка шатуна во время впуска и выпуска подвергается разрыву силами инерции поршневой группы Р]п. Данная сила достигает максимального значения при положении поршня в В.М.Т (см. рис. 3). Помимо этого опасность для поршневой головки шатуна представляет комбинация сил давления газов в камере сгорания цилиндра Рг и сил инерции поршневой группы на стадии рабочего хода, Pсж = Рг + (- Р] } (см. рис. 3). В
расчётной схеме принимают, что максимума эта сила достигает при положении поршня в В.М.Т. В реальности данная сила достигает максимума, когда угол поворота кривошипа составляет порядка 10°, то есть 10° [2]. Помимо данных нагрузок учитывают напряжения в поршневой головке от запрессовки в неё с натягом бронзовой втулки.
В основе традиционных методов прочностных расчётов шатуна лежат методы сопротивления материалов и деталей машин [2]. Например, полученные с помощью этих методов эпюры напряжений для поршневой головки представлены на рис. 4. Однако, методы сопротивления материалов при анализе прочности не позволяют учесть все конструктивные особенности соответствующих узлов двигателя, влияющие на параметры состояния шатуна. В частности, именно поэтому расчёт кривошипной головки шатуна является приближённым.
Возможности современных автоматизированных средств инженерного анализа позволяют получить электронную расчётную модель, максимально приближенную к физическим реалиям. Уровень детальности модели зависит от решаемой задачи, то есть степень детализации геометрии, граничные условия определяются целью выполняемых расчётов.
Р'г
Р
Рг - сила давления газов;
Р] - сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс;
Кя - центробежная сила инерции вращающихся масс
Рис. 2. Силы, действующие на кривошипно-шатунный механизм
На данном этапе эксперимента интерес представляет анализ полей напряжений нагруженного шатуна в окрестности поршневой головки и сопоставление результатов численного эксперимента с закономерностями распределения параметров состояния прочности, полученными на основе традиционных методик [2].
Рг - сила давления газов;
Р]- силы инерции;
Р=Рг+Р] - суммарная сила;
Ф° - угол поворота коленчатого вала (кривошипа)
Рис. 3. Диаграммы зависимости сил, действующих на шатун, от угла поворота кривошипа
Формирование виртуальной модели нагруженного шатуна в среде APM WinMachine (рис. 5 а) можно условно разбить на три этапа.
На первом этапе осуществлялось формирование геометрической составляющей расчётной схемы шатуна для данного эксперимента. Был проведён детальный анализ материалов, описывающих качественно и количественно геометрию объекта исследования. Затем, опираясь на формализованные данные [2], были проанализированы нагрузки, действующие на детали двигателя в зависимости от протекающего процесса рабочего цикла. Учтена была так же область анализа прочностных характеристик шатуна. Эти факторы обусловили геометрическую составляющую электронной модели шатуна. Для её построения был использован модуль системы APM WinMachine APM Studio - модуль твердотельного и поверхностного моделирования (рис. 5 б).
Рис. 4. Параметры напряжённого состояния шатунной головки при различных условиях нагружения: а - эпюры напряжений, обусловленных разрывающими инерционными силами, для внутренних о и внешних о а- волокон; б - эпюры напряжений, обусловленных сжимающими
силами, для внутренних 7,
Поскольку анализ параметров напряжённого состояния шатуна носит учебно-исследовательский характер, решили учесть все особенности его геометрии, невзирая на их незначительное влияние на результаты исследования. Интерес представляет модель, максимально отображающая геометрию прототипа. Это позволяет усилить наглядную составляющую эксперимента. Возможности модуля позволили учесть при построении геометрической модели все особенности геометрии шатуна (рис. 6).
Следующий этап формирования электронной модели шатуна - построение конечно-элементной модели на базе полученной геометрической модели и выбор граничных условий.
Под граничными условиями, как правило, понимают условия нагружения и условия закрепления рассматриваемой модели. В данном случае преследуется цель определения качественной, а не количественной картины, определяющей наиболее не надёжные в плане прочности области поршневой головки шатуна. Для этого достаточно проанализировать параметры прочности, обусловленные действием инерционных сил поступательно движущихся масс поршневой группы и сил давления газа в момент их максимального воздействия на поршневую головку шатуна. Инерционные силы достигают такого максимума, когда поршень занимает положение в в.м.т. во время начала впуска. Они оказывают растягивающее воздействие на головку (см. рис. 4 а).
а) б)
Рис. 5. APM WinMachine - система автоматизированного расчёта и проектирования машин, механизмов и конструкций: а - электронный «титульный лист» системы APM WinMachine; б - графическое окно модуля APM Studio
Рис. 6. Трёхмерная геометрическая модель шатуна
Так же опасность для прочностной надёжности головки представляет суммарное воздействие инерционных сил и сил давления газа в начале рабочего хода. Данное воздействие носит сжимающий характер (см. рис. 4 б). Условия закрепления в данном случае рационально обозначить в местах болтового соединения кривошипной головки (см. рис. 1 б) в случае действия инерционных сил и по внутренней цилиндрической поверхности кривошипной головки при сжатии.
а) б)
Рис. 7. Конечно-элементная модель шатуна с граничными условиями: а - модель, учитывающая действие инерционных сжимающих сил; б - модель, учитывающая комбинированную сжимающую нагрузку
Инструментарий модуля APM Studio позволяет КЭ-ую разбивку выполнить в автоматизированном режиме с уточнением размера КЭ.
В итоге на базе сформированной геометрической модели были получены две КЭ-х модели шатуна с обозначенными граничными условиями (рис. 7).
Следующим этапом численного эксперимента является выполнение прочностного анализа полученных моделей. С этой целью следует модели экспортировать в модуль конечно-элементного анализа системы APM WinMachine APM Structure 3D (рис. 8).
Необходимо отметить, что построение конечно-элементных моделей не завершено. Для завершения процедуры требуется задать характеристики материала. Такая возможность предусмотрена в среде модуля APM Structure 3D (рис. 9).
Завершённость КЭ-й модели обуславливает возможность реализации третьего этапа численного эксперимента, а именно, его расчётной части. Для этого необходимо активизировать функцию модуля автоматизированного прочностного анализа (расчёта) КЭ-й модели (рис. 10).
Возможности модуля предусматривают реализацию нескольких типов расчёта. Так как целью эксперимента является качественная оценка параметров состояния прочности зоны шатуна в окрестности поршневой головки в наиболее опасные для него моменты рабочего цикла, то из всего набора типов расчёта, реализуемых модулем APM Structure 3D, рационально выбрать статический тип расчёта (см. рис. 10).
Статический расчёт позволил получить карту эквивалентных напряжений по всей поверхности геометрической модели шатуна применительно к заданным граничным условиям. В основе определения эквивалентных напряжений лежит теория прочности Хубера - Мизеса.
Результатом конечно-элементного анализа модели, определяющей состояние шатуна от инерционного воздействия (см. рис. 4 а), стало поле напряжений, представленное на рис. 11.
Рис. 8. Экспорт КЭ-й сетки из модуля APM Studio в модуль APM Structure 3D
Рис. 9. Диалоговое окно «Материал» модуля APM Structure 3D для обозначения характеристик материала
Рис. 10. Диалоговое окно задания режима расчёт параметров напряжённо-деформированного состояния КЭ-й модели
Картина, определяющая закон распределения параметров состояния прочности в области головки шатуна полностью соответствует эпюрам напряжения для этой же зоны, полученным методами сопротивления материалов (см. рис. 4 а).
Их совместный анализ позволяет сделать вывод, что наиболее ненадёжные в плане прочности зоны по внутренней поверхности головки совпадают полностью. Есть некоторое расхождение в закономерности распределения напряжений по внешней поверхности порш-
невой головки. Результат численного анализа показывает, что «ненадёжная» зона распространяется на большую площадь, чем та, которая определена аналитически.
Рис. 11. Поля эквивалентных напряжений шатуна, обусловленные инерционными растягивающими силами на впуске: а - «вид спереди»; б - «произвольный вид»
Рис. 12. Расчётная схема поршневой головки и соответствующие ей эпюры напряжений для случая инерционной растягивающей
нагрузки
Этот факт объясняется условностью расчётной схемы поршневой головки шатуна при анализе прочности методами сопротивления материалов.
Головка шатуна была интерпретирована как криволинейный брус, жёстко зафиксированный в месте перехода поршневой головки в стержень шатуна (рис. 12) [2].
Таким образом, был обусловлен предел эпюр напряжений, определённых методами сопротивления материалов. По результатам численного эксперимента по внешнему контуру шатуна опасность представляет область в окрестности сопряжения головки шатуна и стерж-
ня, что соответствует действительному состоянию дел, поскольку имеет место концентратор напряжений.
Карта напряжений для шатуна, обусловленная комбинированной нагрузкой от инерционных сил и сил давления газа в начале рабочего хода, построенная в результате конечно-элементного анализа для полученной модели (см. рис. 7, б), представлена на рис. 13. Полученная карта напряжений отображает характер изменения напряжений, полностью отвечающий эпюрам напряжений, построенным с помощью методов сопротивления материалов (см. рис. 4 б; рис. 14).
Расчётные схемы конструктивных элементов, полученные с помощью методов сопротивления материалов, по определению условны. Причиной условности являются теории, допущения, гипотезы, позволяющие схематизировать геометрию элемента, его условия закрепления, условия нагружения, характеристики материала. Уравнения состояния сопротивления материалов позволяют описать поведение элементов, которые могут быть схематизированы как брус или пластина (оболочка). При этом «несущественные» особенности геометрии элемента в контексте решаемой проблемы не учитываются при формировании расчетной схемы.
С помощью методов сопротивления материалов корректно можно оценить надёжность конструктивных элементов несложной геометрии при однозначном условии нагружения.
Шатун является конструктивным элементом неоднозначной геометрии, и методы сопротивления материалов для его прочностного анализа предусматривают формирование нескольких расчётных схем, в зависимости от зоны анализа шатуна, и составление различных уравнений состояния. В частности, для формировании расчётной схемы поршневой головки шатуна для прочностного анализа был использован криволинейный брус. Причём учтена только часть головки с одной стороны от оси симметрии шатуна (см. рис. 12). С одного конца брус полагают жёстко зафиксированным в месте сопряжения головки и стержня, на
1Ы
Рис. 13. Карта напряжений для шатуна на этапе сжатия в начале рабочего хода
другом конце бруса (в крайнем сечении) прикладываются изгибающий момент и продольная сила. Они заменяют действие отброшенной части головки и для данной расчётной схемы являются такой же нагрузкой, как та, которая действует на шатун на соответствующем этапе рабочего цикла. В основе анализа лежат общеизвестные методы сопротивления материалов.
Данная методика позволила оценить только часть элемента, оставляя вне зоны внимания всё, что не учтено криволинейным стержнем.
Отдельно проверяют на прочность стержень и кривошипную головку шатуна, формируя для каждого случая свою геометрию для расчётной схемы и составляя свои уравнения состояния в зависимости от соответствующего вида деформации, то есть имеет место некая разобщённость в расчетах одного конструктивного элемента. Для общности картины необходимо все результаты свести воедино и систематизировать. При этом выводы должны быть сделаны с поправкой на известную долю условности расчётных схем шатуна.
Численный эксперимент продемонстрировал возможности автоматизированного способа инженерного анализа, его однозначное преимущество с одной стороны, и значительную трудоёмкость с другой стороны.
Карта напряжений, распределённая по поверхности достоверной геометрической модели детали, позволяет наглядно оценить «географию» потенциально опасных, с точки зрения прочностной надёжности, областей детали (рис. 15).
Причём легко отслеживается зависимость этой «географии» от граничных условий (см. рис. 11, рис. 14).
В данном случае, правда, исходя из цели эксперимента, была сформирована не полная геометрия шатуна (см. рис. 6). Соответственно, анализ прочностных характеристик выполнен только для этой области шатуна.
В перспективе планируется анализ полной геометрии с учётом условий нагружения, обусловленных цикличностью нагрузок. То есть результаты анализа позволят с определённой степенью точности оценить не только качественно, но и количественно прочностные параметры детали двигателя - шатун.
Практически возможно численный эксперимент максимально приблизить к натурному. Однако, это требует детального анализа условий эксплуатации исследуемого объекта (конструктивного элемента, конструкции), его геометрии, свойств материала. Иными словами, для получения достоверных результатов численного анализа инженер обязан в совершенстве представлять «физику процесса» и правильно её интерпретировать в рамках поставленной задачи. При этом он должен владеть инструментарием той автоматизированной среды, в которой выполняет анализ, правильно считывать данные анализа «на выходе» и корректно их систематизировать в формате поставленной проблемы, то есть успех численного анализа полностью зависит от компетентности инженера.
Продемонстрированное в этой статье свойство численного эксперимента наряду с научно-исследовательской и проектной направленностью может быть успешно использовано в учебном процессе. Наглядность конечно-элементной модели в автоматизированной среде позволяет с большей эффективностью донести соответствующий учебный материал до студенческой аудитории при изучении как дисциплины «Сопротивление материалов», так и сопряжённых с ней дисциплин.
SVM[H/mm"2]
Рис. 14. Детализация полей напряжений применительно к особенностям геометрии поршневой головки шатуна
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Замрий А.А. Проектирование и расчёт методом конечных элементов в среде APM Structure 3D. М. : Изд-во АПМ, 2010. 376 с.
2. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей : учебное пособие для технических ВУЗов / под общ. ред. А.И. Колчина. М. : Изд-во Высш. шк., 2002. 496 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Распопина Вера Борисовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Сопротивление материалов и строительной механики», Иркутский государственный технический университет, тел.: 89648038519, e-mail: mashina@istu.edu
Бодров Евгений Александрович, студент группы АС-09-1, Иркутский государственный технический университет, тел.: 89648038519, e-mail: mashina@istu.edu
Ковалев Антон Андреевич, студент группы АС-09-1, Иркутский государственный технический университет, тел.: 89648038519, e-mail: mashina@istu.edu
Raspopina V.B., Candidate of Technical Sciences, associate professor, Resistance of Materials and Building Machinery Department, Irkutsk State Technical University, tel.: 89648038519, e-mail:mashina@istu.edu.:
Bodrov E.A., a student, Group AS-09-1, tel: 89648038519, e-mail:mashina@istu.edu
Kovalyov A.A., a student, Group AS-09-1, tel.:89648038519, e-mail:mashina@istu.edu
УДК 666.972.125 - 666.973
МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ЛЕГКИЙ БЕТОН В ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ
Л.А. Урханова, А.С. Ефременко
В статье рассмотрены вопросы получения легкого высокопрочного бетона с использованием золы террикоников. При производстве легких бетонов был использован органомине-ральный модификатор, содержащий микрокремнезем, золу террикоников, суперпласитифи-каторы. Получен легкий бетон с прочностью при сжатии 25-55 МПа и с плотностью 15001650 кг/м3. Определена экономическая эффективность при замене тяжелого бетона на высокопрочный легкий бетон.
Ключевые слова: легкий бетон, органоминеральный модификатор, золатеррикоников, микрокремнезем, прочность.
MODIFIED LIGHT-WEIGHT CONCRETE IN THE IRKUTSK REGION L.A. Urkhanova, A.S. Yefremenko
The authors give consideration to the problems of producing light-weight concrete with a high durability quality which is pssible if ashes of pit refuse heaps are used. . In the production of light-weight concretes the used organic mineral modifying agent contained microsilica, ashes of pit refuseheaps and supersoftening agents. The result was light-weight concrete with the durability on compression of 25-55 and the density of 1500-1650 kg/m3. The economic efficiency of heavy concrete replacement for the high durability light-weight one was estimated.
Key words: light-wight concrete, organic mineral modifying agent, ashes of pit refuse heaps, microsilica, durability.
Анализ современных тенденций в мировой практике строительства показывает, что при проектировании и возведении зданий нового поколения в ближайшие десятилетия будут стремиться к тому, чтобы собственный вес здания был минимальным. Это особенно актуально для городов-мегаполисов, где существует острый дефицит земельных площадей, и строители вынуждены возводить здания большой этажности.
Целесообразно снижение веса сооружения и при строительстве в сейсмически опасных регионах: здесь степень вибрационного воздействия на каркас здания напрямую связана с его массой. Важно максимально снизить вес здания и в регионах с подрабатываемыми различными горными выработками территориями, а также для регионов с деградирующей веч-
Irkutsk State Technical University, Irkutsk State Technical University,
