Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

обхідність прийняття якомога раніше максимально можливого числа осно-

вних конструкторських рішень.

Незважаючи на цю безперечну вимогу, практика світового двигуно-

будування наводить численні факти непрогнозованого систематичного ви-

ходу з ладу деталей суднових, тракторних, автомобільних та інших типів

двигунів, інколи вже через сотні годин після початку експлуатації. Так,

наприклад, фірма BMW внаслідок низької експлуатаційної

надійності ав-

томобільного двигуна МЗ навіть була змушена зупинити його виробницт-

во. Згодом з’ясована причина – завищені допуски на виготовлення деталей.

За умов експлуатаційного перенавантаження автомобільного двигуна ЗИЛ-

130 відомі випадки порушення газового стику між головкою та блоком ци-

ліндрів. Згодом з’ясована причина – надмірна затяжка гайок кріплення го-

ловки, що

в сукупності з високим рівнем термічного розширення головки

сприяло виникненню пластичних деформацій матеріалів та наступного

розкриття вказаного стику при скиданні навантаження.

За інші приклади виходу з ладу деталей ДВЗ можна навести появу

надмірної пластичної деформації поршнів судових двигунів, прогари по-

ршнів двигунів гелікоптерів. Згодом з’ясовані причини – недостатній рі-

вень

локального масляного охолодження поршнів, що призводило до по-

ступового коксування масла на зворотних до камери згоряння (КЗ) поверх-

нях поршнів і відповідно істотного зменшення відведення теплоти від них.

У цілому практично кожна двигунобудівна фірма має власні прикла-

ди непрогнозованого виходу з ладу тих або інших деталей ДВЗ. Чим пояс-

нюють такі

проектні прорахунки? В першу чергу тим, що двигун внутріш-

нього згоряння як об’єкт проектування відносять до класу складних тех-

нічних систем (СТС). З цієї точки зору його визначальними ознаками є:

 наявність великої кількості складових частин;

 складний, розгалужений характер зв’язків між частинами;

 різноманітність функцій, що виконуються

;

 наявність складної організації керування;

 залежність характеристик від взаємодії із зовнішнім середови-

щем;

 наявність елементу випадковості в реакції на зовнішній вплив;

 тенденція зміни характеристик у часі;

 протиінтуїтивна поведінка системи.

Зупинимося лише на остан-

ній ознаці. Прикладами протиін-

туїтивної поведінки ДВЗ можуть

бути неоднозначний вплив серед-

нього діаметра крапель палива

та тривалості вприскування

впр

на питому ефективну витра-

ту палива (рис.1.6), два максиму-

ми швидкості тепловиділення

ddx

при згорянні палива в ци-

ліндрі дизеля (рис.1.7), поява за-

кидів та просадок напружень в

зоні поверхні камери згряння по-

ршня в перехідному процесі ро-

боти двигуна (рис.1.8, криві 1 і 3)

тощо.

, град. ПКВ28 24

d ,

мкм

224, г/кВт·год

218

212

206

204

исунок 1.6 – Ізопараметрична

арактеристика питомої ефективної

витрати палива дизеля ЧН25/27

τd

с-1

360 390

ϕ,град.ПКВ

0,50

0,75

0,25

τd

120

с-1

0,2

360

380

400

ϕ,град.ПКВ

τd

исунок 1.7 – Характеристики тепловиділення дизелів:

а – ЧН32/32; б – ЧН26/34;

–

–––– - експеримент; – – – – - розрахунок

0,4

0,6

0,8

330

100

150

Бачимо, що для двигунів внутрішнього згоряння впливові фактори та

реакції на них часто не мають безпосереднього зв’язку. При цьому з

рис.1.7 та рис.1.8 видно, що зміни стану системи в часі після початку дії

певних впливових факторів можуть підкорятись достатньо складним зако-

нам.

Важливими функціями комп’ютерної технології на етапі проекту

вання двигунів є тривимірний віртуальний синтез варіантів конструкцій та

їх подальший аналіз з використанням достатньо точних математичних мо-

делей. Це дозволяє прогнозувати поведінку технічної системи для практи-

чно довільних зовнішніх впливів на неї та обґрунтовано обирати основні

конструктивні рішення. Тим самим суттєво скорочується кількість поми-

лок, неминучих навіть при найвищій

кваліфікації проектувальників.

Таким чином

, висока функціональна складність ДВЗ, необхідність

урахування суттєво великої кількості ознак двигуна як складної технічної

системи, необхідність забезпечення значної кількості показників його яко-

сті, жорсткі вимоги до строків проектування та вартості проектів –

τ, хв

210

τ, хв

62 1

σ, МПа

t, °С

300

150

200

250

σ, МПа

t, °С

300

150

200

250

Рисунок 1.8 – Змінювання термонапруженого стану поршня з

напіввідкритою КЗ при накиданні (а) та скиданні (б)

навантаження (дизель 4ЧН12/14):

1 – 4 – точки характерних зон конструкції

усі ці обставини прзиводять до того, що без широкої автоматизації прое-

ктно-конструкторських робіт процес розробки нової техніки стає мало-

ефективним.

Тому саме з автоматизацією проектування (АП) зв’язані

принципові можливості створення все більш складних технічних об’єктів.

Під автоматизацією проектування розуміють такий спосіб ви-

конання проекту, коли проектні процедури та операції здійс-

нюються проектувальником при наявності тісної систематич-

ної взаємодії з ЕОМ.

Практична реалізація комп’ютерної технології підтримки життєвого

циклу конструкції в першу чергу спирається на розв’язання проблем авто-

матизації проектних робіт, розробки, впровадження, ефективного викорис-

тання і поширення систем автоматизованого проектування – САПР. У ці-

лому автоматизація проектування є необхідною умовою ефективного фун-

кціонування багатьох інших систем автоматизації ЖЦК.

1.2. Використання понять

автоматизованого проектування.

Означення САПР ДВЗ

Для автоматизованого проектування характерним є систематичне ви-

користання ОТ при раціональному розподілі функцій між суб’єктами про-

цесу проектування та ЕОМ. Тут на ЕОМ покладають завдання з вирішення

усіх задач, які піддаються формалізації або для яких комп’ютерна техноло-

гія їх розв’язання є найбільш ефективною

. При цьому межа між функціями

користувачів АС і ЕОМ не може бути чіткою і змінюється з розвитком ОТ,

математичних методів, теорії проектування.

Характерною ж загальною

рисою САПР є те, що складність такої системи на порядок вища за скла-

дність об’єкту проектування

Враховуючи вказане, розробка систем АП завжди є довгостроковою

стратегією фірми. Дотримання цієї стратегії передбачає послідовне впро-

вадження ряду окремих підсистем, призначених для виконання певного

набору проектних процедур.

Узагальнена функція САПР – автоматизоване (або автоматич-

не) виконання комплексу проектно-конструкторських робіт на

всіх або окремих етапах проектування технічного об’єкта в

цілому чи його складових частин.

Відповідно до вказаного на практиці поняття САПР кваліфікується

досить широко та означає використання різноманітних систем: від призна-

чених для виконання креслень окремих деталей до таких, що дозволяють

здійснювати розробку концепції об’єкта проектування, його синтез, функ-

ціональний аналіз, оптимізацію, випуск проектно-конструкторської доку-

ментації, підтримку виготовлення дослідного зразка, доведення нової

конструкції

до заданого рівня показників її якості, інтеграцію всіх проект-

них процедур в єдиному інформаційно-програмно-апаратному комплексі.

В останньому випадку САПР називають

інтегрованою.

Крім цього слід підкреслити, що конкретна система завжди розроб-

ляється і розвивається за участю спеціалістів фірми, для якої вона призна-

чена, та відповідно до структури і з урахуванням специфіки діяльності цієї

фірми. Тому

кожна діюча САПР (незважаючи на незмінність загальних

теоретичних положень її будови) завжди є неповторною, і не слід чекати

абсолютно точного термінологічного її визначення.

Уперше поняття автоматизованого проектування використано засно-

вником цього наукового напрямку А. Сазерлендом у лекціях, прочитаних

ним у Массачусетському технологічному інституті на початку 60-х років

минулого століття. Ним було запропоновано новий термін – САD, під яким

малась на увазі обробка даних засобами машинної графіки. В 70-ті роки це

поняття набуло поширення як означення

технології конструкторських ро-

біт з використанням ОТ. Сьогодні термін САD найчастіше інтерпретується

в двох значеннях – Computer Aided Drafting та Computer Aided Design. У

першому варіанті його можна представити як автоматизоване креслення, у

другому – як проектування і конструювання за допомогою ЕОМ.

Окрім поняття CAD, найбільш поширеними у використанні є насту-

пні терміни:

• CAE - Computer Aided Engineering;

• CAM - Computer Aided Manufacturing;

• CAQ - Computer Aided Quality Assurance;

•

CAP - Computer Aided Planning;

• CIM - Computer Integrated Manufacturing.

При цьому в одному випадку під CAE розуміють інженерні розраху-

нки за допомогою ЕОМ, окрім автоматизації креслярських робіт, в іншо-

му – як поняття більш високого рівня – позначення всіх видів інженерної

діяльності з використанням комп’ютера. Часто технологічну підготовку

виробництва ототожнюють з поняттям CAM (АСТПВ). В інших випадках

під САМ розуміють застосування ЕОМ в керуванні виробництвом і техно-

логічним процесом на підприємстві (АСКТП). Повернемось до розгляду

рис.1.4. Видно, що тут поняття АСТПВ поширено на усі види робіт почи-

наючи з технологічної підготовки виробництва

і закінчуючи керуванням

верстатами з ЧПК.

Інтеграцію окремих систем в єдині комплекси часто позначають як

CAD/CAE/CAM (CAD/CAM/CAE).

Підкреслимо, що наведений список понять не є повним, а в процесі

розвитку систем з’являються нові поняття, наприклад С-3, VC, VDE, про

які було згадано в п.1.1.

Таким чином, поняття автоматизованого проектування часто тракту-

ється неоднозначно. Тому

при використанні цього терміну щодо діючої

САПР слід давати йому конкретне пояснення. Водночас дотримуючись

стратегічної мети створення

інтегрованої системи автоматизованого

проектування

цей термін, безумовно, визначений точно.

Під інтегрованою САПР розуміють систему, що реалізує певну

форму організації автоматизованих методів розв’язання проек-

тно-конструкторських задач та забезпечує взаємодію фахівців,

програмних, інформаційних, технічних засобів автоматизації

для більш якісного, в найбільш стислі строки та з найменшими

витратами на виконання проектних робіт, створення умов для

прискорення освоєння виробництва.

При розгляді певної САПР завжди потрібно вказувати той цільовий

об’єкт чи ту цільову систему (ЦС), для розробки яких призначена надана

АС. САПР вантажного автомобіля, САПР ДВЗ, САПР поршня ДВЗ, САПР

КЗ поршня – все це приклади можливих комплексів підтримки процесу ав-

томатизованого проектування цільових систем. При цьому усі ЦС можна

розділити

на два класи. Ці класи позначають як ЦС І і ЦС ІІ. Тоді в зага-

льному випадку маємо групи САПР ЦС I і САПР ЦС II.

ЦС І – це об’єкт проектування системи автоматного (автоматич-

ного) типу.

Така система реалізує жорстко задану цільову функцію проек-

тування. Алгоритм її функціонування визначений повністю, творче втру-

чання людини в процес виконання проектних робіт непотрібне. З цієї при-

чини використання САПР ЦС І забезпечує найвищу ступінь автоматизації.

У двигунобудуванні до класу об’єктів ЦС І можна віднести лише

окремі деталі і вузли наперед відомих типових конструкцій, наприклад,

клапан, водомасляний теплообмінник, масляну центрифугу, колеса водя-

ного насоса, турбіни, компресора

тощо. Синтез і аналіз для таких деталей

може бути повністю формалізованим.

Саме використання САПР ЦС I в найбільшій мірі прискорює процес

проектування. Водночас використання лише систем автоматного типу не

дозволяє створювати конструкції, що є відмінними від типової. Наприклад,

коли САПР призначена для автоматичного проектування масляного радіа-

тора двигуна, то за допомогою

такої системи неможливо перейти до при-

йняття більш прогресивного рішення – проектування водомасляного теп-

лообмінника. Останнє означає, що використання лише типових об’єктів (і

систем автоматного типу для їх проектування) об’єктивно закладає майбу-

тнє відставання проектів від кращих світових аналогів. Указаний ефект

зветься

психологічною інерційністю системи.

ЦС ІІ – це об’єкт проектування людино-машинної системи авто-

матизованого типу, яка призначена підвищити ефективність розумової

праці в сфері проектної діяльності.

Для таких об’єктів АС сполучає набір

спеціалізованих та формалізованих процедур проектування автоматного

типу з творчими здібностями людини.

У САПР ЦС II існує можливість виконання проектних робіт для

об’єктів, повної формалізації процесу проектування яких ще не досягнуто.

З іншого боку, такі системи дозволяють перевершувати якість конструкцій

кращих світових аналогів. При

цьому характерними основними функціями,

що виконує проектувальник в САПР ЦС II, є:

▼ доповнення формальних математичних методів та загальних ме-

тодів проектування кваліфікацією інженерного персоналу проектної орга-

нізації;

▼ творче вирішення тих задач, формалізації процесу розв’язання

яких ще не досягнуто;

▼ використання евристичних здібностей людини.

На основі поданого вище ясно, що складні технічні об’єкти, в тому

числі і двигуни внутрішнього згоряння, відносяться до складу ЦС ІІ. Це

дає можливість сформулювати поняття САПР ДВЗ.

САПР ДВЗ – це організаційно-технічна інтегрована система,

яка складається з комплексу засобів автоматизації проектуван-

ня, взаємозв’язаних з підрозділами проектної організації, та що

призначена для виконання автоматизованого проектування

двигунів внутрішнього згоряння.

Перейдемо до розгляду необхідних умов досягнення цілей викорис-

тання САПР ДВЗ.

1.3. Цілі, результат та основні задачі використання САПР ДВЗ.

Системний підхід до автоматизованого проектування

двигунів

З метою усвідомлення шляхів забезпечення ефекту від використання

САПР ДВЗ конкретизуємо цілі, що обумовлені означенням інтегрованої

автоматизованої системи та стоять у процесі проектування двигунів.

Вже

традиційно до цілей використання САПР різноманітних тех-

нічних об’єктів відносять:

• підвищення якості ЦС;

• скорочення часу проектування;

• зменшення вартості проекту;

• створення умов для прискорення виробництва.

Очевидно, що реалізацію вказаних цілей спрямовано на досягнення

основного ефекту у виробника. З цього приводу до переліку цих цілей ва-

жливо додати необхідність

сегментації ринку, тобто забезпечення особли-

востей потреб окремих груп споживачів. У повному обсязі останнє стосу-

ється задачі проектування різноманітних типів двигунів, діапазон та часто-

та змін режимів роботи яких залежно від умов експлуатації відрізняються в

суттєво широких межах.

Практичне врахування цілі сегментації ринку стосовно проектування

двигуна чи його певної деталі можна зробити

на основі виразу

, (1.1)

jiEXxFfxf

,...,2,1,,,,),( =Ψ⊂Ξ∈⊂∈⊂⎯⎯←

ξξξ

де

– множина значень показників роботи двигуна або його деталі, що F

проектується;

– множина обраних для проектування двигуна або деталі критеріїв

їх якості, ;

()

ffff ,...,,

X – множина можливих варіантів конкуруючих конструкцій об’єкту

проектування;

– декартовий простір розмірності

;

– вектор опису конструктивних та технологічних параметрів

об’єкту проектування,

(

)

kmxxxx

≤

= ,,...,,

;

Ψ – множина можливих експлуатаційних режимів роботи двигуна;

Ξ – модель експлуатації двигуна певного призначення,

;

{}

ξξξ=Ξ ,...,,

,...,2,1, =ξ

– представницькі режими роботи двигуна у вибраній мо-

делі експлуатації;

– множина відповідних до

математичних моделей

функціонування двигуна,

{

}

µ ,...,,

Звідси бачимо, що у разі використання виразу (1.1) пошук рішення

повинен здійснюватись лише відповідно до конкретних умов (моделі) екс-

плуатації двигуна

. При цьому розмірності векторів

конструктивних і технологічних параметрів

{

ξξξ=Ξ ,...,,

}

(

)

xxxx ,...,,

для кожної з

конкуруючих конструкцій у загальному випадку можуть не збігатись

(

m ≤ ). Останнє означає, що автоматизована система повинна давати мо-

жливість кількісного порівняння якості відмінних за своєю конструкцією

, але однакових за функціональним призначенням

об’єктів проекту-

вання. Водночас обов’язкове врахування цілі сегментації ринку дозволяє

отримати найкращу конструкцію

опт

за обраними критеріями якості

для обраної моделі експлуатації

(

ffff ,...,,

)

. Іншими словами, змі-

на моделі експлуатації повинна приводити до нового проектного рішення

опт

Результатом проектування є повний комплект документації, що

вміщує достатні відомості для виготовлення об’єкта в заданих умовах. Ця

документація утворює опис об’єкта проектування.

Описи технічних об’єктів за своєю складністю повинні бути узго-

дженими з можливістю їх однозначного сприйняття, ефективного створен-

ня та безпомилкового використання. Важливо, що виконати цю

вимогу для

СТС в межах єдиного опису ніколи не вдається. Тому в процесі розробки

двигунів внутрішнього згоряння обов’язково використовують блочно-

ієрархічний

підхід щодо підтримки проектно-конструкторських робіт.

Блочно-ієрархічний підхід до проектування СТС передбачає

виконання декомпозиції (поділу) об’єктів на ієрархічні рівні

(складові частини) та розгляд цих об’єктів і їх частин у різних

аспектах (з різних позицій).

Наведемо приклад. В процесі проектування двигуна його конструк-

цію поділяють на механізми, системи, вузли, деталі та виконують таку кі-

лькість складальних і робочих креслень, що є достатньою для однозначно-

го сприйняття та виготовлення виробу. Водночас якість конструкції та її

складових частин оцінюють з позицій економічності, токсичності, надій-

ності тощо. Зрозуміло, що

це дозволяє розподіляти роботи по проектуван-

ню СТС між підрозділами проектної організації та відповідними підсисте-

мами САПР. Зупинимось детальніше на розгляді блочно-ієрархічного під-

ходу до проектування.

Виконання декомпозиції об’єкту проектування полягає в тому, що

опис ЦС розподіляють на частини, що звуться підсистемами. Кожна підси-

стема може складатися з вкладених підсистем. За приклади підсистем дви-

гуна можна навести кривошипно-шатунний механізм, колінчастий вал, по-

ршень, систему охолодження, насос системи охолодження, привод відклю-

чення вентилятора, головку циліндрів і багато інших

. Тут елементом при-

йнято називати таку підсистему, котра не підлягає подальшому розподілу

на підсистеми.

Використання ієрархічних рівнів ЦС означає структурування уявлень

про об’єкт проектування за ступенем деталізації описів – на кожному іє-

рархічному рівні використовують свої поняття підсистем і елементів. Тому

для різних процедур проектування одні й ті самі вузли і деталі двигуна

можуть розглядатись як елементи або підсистеми. Так, в задачі динамічно-

го розрахунку поршень – це

елемент, в інших випадках елементами мо-

жуть бути: поверхня КЗ (аналіз робочого процесу, аналіз міцності порш-

ня); канавка поршневого кільця (аналіз роботи кільцевого ущільнення,

аналіз можливості коксування масла, аналіз міцності поршня); юбка порш-

ня (синтез бічної поверхні поршня, аналіз його міцності), порожнина для

масляного охолодження (синтез системи охолодження, аналіз міцності