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

Подождите немного. Документ загружается.

побачити, що при розгляді поршня з завуженою горловиною (напіввідкри-

та камера) ступінь полінома повинний бути вищим –

= 10...13. Таким

чином, ускладнення геометрії деталі при забезпеченні незмінної точності

результатів розрахунків вимагає зменшення рівня економічності ММ. Цю

обставину слід враховувати при модернізації конструкції об’єкта проекту-

вання.

Таблиця 7.4 – Результати розрахунків температурного стану

поршнів з напіввідкритою КЗ залежно від ступеня

поліному

, яким апроксимовано теплове поле

R-функцій

, ºС

Номер

контрольної

точки

МСЕ

ºС,

= 6

= 8

= 9

= 10

= 11

= 12

= 13

1 332 296 306 312 313 313 314 315

2 257 245 247 248 248 247 247 247

3 223 217 219 219 220 220 220 220

4 160 161 161 163 163 163 163 163

5 230 224 224 227 225 220 219 220

6 250 244 243 243 244 244 245 245

В цілому можна казати про високу вірогідність отриманих результа-

тів. Так, розбіжності між очікуваними та отриманими рівнями температур

для вибраних ступенів поліномів в цілому по тілу поршня з відкритою КЗ

знаходяться в межах 1 – 3 %, а для напіввідкритої – практично не переви-

щують рівня 5 %. Тут під отриманими даними будемо розуміти результати

розрахунків за

методом R-функцій, а під очікуваними – ті, з якими іде по-

рівняння (МСЕ). Наведене вище і відповідає змісту еквівалентування фун-

кціональних математичних моделей.

7.5.2. Основні положення багатокритерійної оптимізації

конструкцій деталей ДВЗ

Процедури пошуку оптимального варіанту деталей двигунів у своє-

му ідеалі повинні передбачати направлене удосконалення конструкцій на

основі моделювання процесів їх функціонування

при експлуатації та мож-

ливих особливостей виробництва. Це означає, що виконання вказаного

пошуку повинно орієнтуватись на одночасний аналіз певного набору кри-

теріїв ефективності деталі

),...,,(

ffff

350

З математичної точки зору розв’язання багатокритерійної оптиміза-

ційної задачі в своєму ідеалі базується на векторному підході до оптиміза-

ції. Задача вибору при цьому формулюється наступним чином: знайти та-

кий (оптимальний) розв’язок, який відповідає певним значенням сукупнос-

ті параметрів

та якість якого оцінюється скалярними кри-

теріями, що утворюють вектор ефективності

),...,,(

21 m

xxxx =

. Останній має зв’язок з

шуканим розв’язком за допомогою функціонального відображення

. (7.33)

опт

),,...,,( fxxxYf

→Ξ=

Під конструктивною оптимізацією розуміють процес пошуку

такої сукупності можливих розв’язків

, яка найкращим чином

забезпечує виконання призначення

об’єкта проектування.

З урахуванням вказаного ясно, що вираз (7.33) можна використову-

вати, коли відомим є векторний ідеал якості f

опт

, до якого намагаються

наблизитись в процесі оптимізації.

Раніше підкреслювалось, що практична реалізація процесу проекту-

вання поршня з використанням виразу (1.1) обов’язково повинна спирати-

ся на можливість розгляду таких конкуруючих конструкцій, розмірність

вектора конструктивних параметрів яких у загальному випадку може не

збігатися. Це означає, що оптимізація конструкції повинна розглядатись,

як процес варіювання

параметрами (

m mm

≤

), який розпочинається в по-

чатковій точці

і приводить до отримання лока-

льного оптимуму з параметрами

. При

цьому конструктивна оптимізація деталей ДВЗ передбачає вирішення в

САПР наступного кола задач:

),...,,...,,(

xxxxx =

),...,,...,,(

опт

iii

xxxxx =

1) зіставлення якості

деталей різного конструктивного виконан-

ня

в прийнятій моделі експлуатац ї і

;

2) визначення напрямку

і розміру кроку

руху в процедурах по-

шуку оптимуму,

δ+=

gxx

ii 1

;

3) зіставлення даних локальних оптимумів

як на-

слідок руху з різних початкових точок

FFf

⊂∈

опт

;

4) зіставлення якості використання конструкції

у різних умовах

351

експл

перелічених задач можна побачити, що основною метою

форма

уатації Ψ⊂Ξ

З аналізу

лізації процесу проектування з точки зору забезпечення можливості

здійснення пошуку оптимального конструкторського рішення є реалізація

апарата кількісної оцінки якості двох довільних конструкцій

, що

зіставляються. Ефективність остаточного результату

опт

тут в чер-

гу залежить від обґрунтованого вибору множини поча вих точок

першу

тко

рі-

зної розмірності

і параметрів варіювання

Слід звернути увагу на те, що під початковою точкою оптимізації

надалі будемо розуміти не стільки чисельне значення вектора конструкти-

вних параметрів

, скільки розмірність

даного вектора та особливості

опису набору йог складових

xxxx .,,...,,

Широкий досвід розробк і

,..

и, випробувань експлуатації двигунів різ-

номан

існуючий комплекс сучасних

методик дозволяє оціню-

вати р

’єк

ітного призначення свідчить, що перспективне їх форсування є вкрай

несприятливим фактором, який обмежує працездатність конструкції. При

цьому, коли певна конструкція не задовольняє вимоги експлуатаційної мі-

цності, то вона, незважаючи на показники інших критеріїв якості, безумо-

вно відкидається.

Важливо, що

есурс термонавантажених деталей з урахуванням умов експлуатації

двигунів. Останнє надає можливість чисельно описати область допустимих

рішень повного спектру конкуруючих конструкцій X вже на початкових

стадіях їх проектування. Враховуючи при цьому об тивний розкид тер-

момеханічних властивостей матеріалів, розбіжності в термонавантаженні

окремих циліндрів двигунів, можливе надрозрахункове експлуатаційне

підвищення

потужності, інші впливові фактори та певні припущення мето-

дик, мінімально допустиму величину відносного ресурсу деталі (див. вираз

(2.3)), приймемо як

2,1

опт

≥

. (7.34)

У повному обсязі вказане вище відповідає задачі оптимізації конс-

трукції поршня швидкохідного дизеля, де до вектора критеріїв якості

конструкції, окрім виразу (7.34), додамо критерії середньоексплуатаційної

352

паливної економічності двигуна (2.1) та токсичності викидів (2.2). Надалі

розглянемо приклади аналізу і оптимізації конструкції поршня, які є хара-

ктерними в САПР ДВЗ.

Класифікацію заходів підвищення експлуатаційної міцності особли-

во те

сунка видно, що при впровадженні комплексу заходів (форму-

ванні

сті певної запро-

понов

рмонавантажених зон поршнів та інших деталей КЗ подано на

рис.7.28.

З ри

множини конструктивних параметрів

), які визначають працездат-

ність деталі в експлуатації, виникає складна комбінаторна задача. Водно-

час наперед не ясно, в якій мірі використання відібраних рішень відповіда-

тиме меті досягнення результату (7.34). При цьому перелік поданих захо-

дів постійно поповнюється за рахунок впровадження в конструкторську

практику нових прогресивних підходів до проектування.

Існує два протилежних варіанти

оцінки ефективно

аної конструкції. Перший варіант – застосування моделей нечітких

смислових відношень, тобто інженерної прикидки. Йому повністю відпо-

відають дані рис. 7.28. Тут кожен з запропонованих шляхів підвищення ре-

сурсу приводить до позитивного результату, а якість результату цілком за-

лежить від досвіду та творчих здібностей конструктора. Другий варіант –

математичне моделювання, тобто

використання певного обсягу методик,

які націлені на розв’язання задачі оптимізації. У цьому випадку маємо чи-

сельну відповідь щодо виконання умови (7.34), але вказаний підхід при

відбиранні конкуруючих конструкцій (або початкових точок оптимізації)

обумовлює реалізацію суттєво великої кількості громіздких (вкрай нееко-

номічних) розрахунків урахування кожного експлуатаційного циклу нава-

нтаження двигуна відповідно

до заданої моделі

Допоміжним засобом в роботі конструктора на сьогодні є викорис-

тання

’

статистичних моделей. Під такими моделями слід розуміти орієнта-

цію на конструктивні схеми кращих зразків-аналогів. Але головним недо-

ліком статистичних моделей є об’єктивне постійне відставання від вказа-

них зразків (психологічна інерційність системи). При цьому маємо

обов язковий розрив між

попитом, що швидко змінюється, і обмеженнями

пропозиції, тобто закладається потенційне заниження якості та споживчої

вартості проекту.

353

Основні напрями підвищення довговічності

де

талей КЗ перспективних швидкохідних дизелі

Конструкторські

Вибір матеріалу

Заміна основного

матеріалу

Плазмовий пе-

еплав

Отримання зон

ізної твердості

Легування

Зменшення температур

Зменшення локальних

перегрівів деталей

Охолодження рідиною

Охолодження повітря

Постановка

теплових бар’єрів

Використання

тепловодів

Нанесення покриттів

Зменшення напруг

Зменшення

напруг концентрацій

Використання вставок-

компенсаторів

Використання

жароміцних вставок

Режимні

Обмеження швидкості

навантаження дизеля

Технологічні

Зменшення пористості

матеріалу

Оптимізація режимів

лиття

Виконання розвантажувальних

вибірок на кромках КЗ

Рисунок 7.28 – Класифікація заходів підвищення

експлуатаційної міцності деталей КЗ

354

Все вище сказане викликає обов’язкове розв’язання попередньої за-

дачі

до реалізації задачі цілеспрямованого вибору початкових точок,

аналіз

овесно-графічна модель;

нь;

ьш важкого

експл

вання експлуатаційного

наван

остання модель заснована на використанні ви-

разу (

різних рівнів складності насамперед

перед

є гене-

рацію

е вважається, що

надані в базі даних типові елементи до-

зволя

оптимізації поршня як цілеспрямованого, науково обґрунтованого

відбору множини конкуруючих конструкцій для подальшого проходження

проекту.

Що

у та оптимізації теплонапруженого стану поршня можна запропону-

вати наступний комплекс моделей:

• нульовий рівень – уявна, сл

• перший рівень – модель нечітких смислових відноше

• другий рівень – модель чітких смислових відношень;

• третій рівень – кількісна модель врахування найбіл

уатаційного процесу навантаження двигуна;

• четвертий рівень – кількісна модель враху

таження двигуна.

Зрозуміло, що тільки

7.34), тобто лише вона дозволяє перевірити умову забезпечення зада-

ного ресурсу конструкції. Перші чотири моделі є якісно еквівалентними до

неї та націлені на виявлення переваг певних конструктивних рішень та

скорочення маршруту проектування.

Впровадження моделей аналізу

бачає використання двох

відмінних підходів до синтезу конструкції.

Їх застосування в САПР потребує типізації елементів деталі і відповідно

наявності: бази даних, підсистеми генерації геометричної ММ, блоків пе-

ревірки обмежень компонування. Загальну схему підсистеми синтезу гео-

метричної моделі поршня було подано на рис.2.12. Автоматизований син-

тез геометрії може бути реалізовано з використанням виразу (7.17).

Перший

з підходів до синтезу конструкції поршня передбача

його геометрії виключно з типових елементів, тобто згідно з класи-

фікацією п.7.3 – з елементів другої та третьої груп. Це дозволяє формалізу-

вати алгоритм підсистеми аналізу та отримувати кількісний результат що-

до якості конструкції. Останнє положення суттєво підвищує ефективність

проектування.

Найчастіш

ють формувати повний опис конкуруючих конструкцій множини

X ,

355

тобто теоретично існує можливість визначення глобального оптимуму

(7.33). Водночас навіть знайдений найкращий розв’язок з поданої множини

ще не є достатньою умовою надійної роботи поршня (7.34) при перспе-

ктивних рівнях форсування двигунів. Ясно, що обмеження першого підхо-

ду відповідають обмеженням можливостей закладених в базу даних типо-

вих елементів зразків-аналогів.

Для подолання останнього протиріччя множина конкуруючих конс-

трукцій завжди повинна бути відкритою, тобто відповідно до блока 5

рис.2.12

мати можливість приєднання оригінальних елементів групи 1. З

цього приводу другий підхід до синтезу конструкції передбачає:

1. Формування уявної оригінальної моделі поршня та застосування

уявної моделі (нульового рівня) його аналізу.

2. При отриманні позитивного результату за допомогою блока 5 під-

системи синтезу (рис. 2.12) включити оригінальні елементи до геометрич-

ної моделі поршня. Цю процедуру

можна виконати за допомогою виразу

(7.18), який легко розширюється.

3. Виконання аналізу конструкції з використанням моделей вищих

рівнів складності у повній відповідності до першого підходу.

4. У випадку встановлення факту ефективності запропонованої конс-

трукції виконання типізації її оригінальних елементів, які відносять до

групи 2 чи 3. Тим самим з’являється можливість формування нових

векто-

рів конструктивних параметрів та здійснювати оптимізацію.

Зрозуміло, що формування уявної оригінальної моделі поршня не

піддається автоматизації, а тривалість цього етапу не є визначеною і може

значно перевищувати всі інші етапи проектування. При цьому перевірка

нового технічного рішення з використанням моделей вищих рівнів склад-

ності може дати негативний результат. Остання

обставина викликає необ-

хідність пошуку нової уявної моделі. Незважаючи на це, тільки такий під-

хід дозволяє перевершити якість зразків-аналогів та часто розв’язати зада-

чу проектування.

7.5.3. Розробка і аналіз уявної моделі поршня

Наведемо приклади розробки й аналізу уявної оригінальної моделі

поршня. Одним з найпростіших шляхів попередньої оцінки ефективності

запропонованих

нових рішень є якісна порівнювальна характеристика

356

температурного стану конкуруючих конструкцій.

Шляхами теплового розвантаження деталі або окремих її зон згідно з

рис.7.28 можуть служити конструкції поршнів, що охолоджуються ріди-

ною, мають теплозахисні покриття поверхні, тепловоди тощо. Оцінимо

можливу ефективність розвантаження кромки КЗ поршня з тепловодом.

Відомо, що тепловий потік в тілі певної деталі буде направлено пер-

пендикулярно ізотермам

. Розглянемо температурний стан поршня, наведе-

ний, наприклад, на рис.3.42, б, та розмістимо кільцеву тонкостінну вставку

з високотеплопровідного матеріалу між зоною кромки КЗ та зоною дру-

гого – третього поршневих кілець перпендикулярно до визначених ізотерм.

Тоді тепловод буде виконуватись зі змінним радіусом кривини і в перерізі

мати S-подібний вигляд. Розташування таких тепловодів

у поршнях зо-

бражено на рис.7.29, схему зовнішнього вигляду тепловоду – на

рис.7.30, а.

Рисунок 7.29 – Розташування тепловодів у

поршнях з напіввідкритою (а) та відкритою

(б) камерами згоряння

а б

исунок 7.30 – Зовнішній вигляд

тепловодів:

– в – варіанти виконання

357

Таким чином, подане рішення відповідає задачі теплового розванта-

ження кромки КЗ за рахунок організації підвищеного тепловідводу до дру-

гого та третього компресійних кілець.

Відомо, що в околовому напрямку кромки КЗ має місце суттєвий пе-

репад температур, який виникає внаслідок дії потоків свіжого заряду та

відпрацьованого робочого тіла. Цей перепад, наприклад для

дизелів

4ЧН12/14 та 6ЧН13/11,5, може досягати 20 – 30 º. Останнє означає, що

міцність кромки для реальних конструкцій поршнів визначається не тільки

радіальними термічними деформаціями, а і околовими.

Більш рівномірного розподілу температур в околовому напрямку

кромки з одночасним зменшенням максимальної її температури можна до-

сягти у випадку використання тепловоду, зображеного на рис.7.30, б. Він

розміщується в тілі поршня так, що його висота з боку випускного клапана

максимальна, а з боку впускного – мінімальна. Таким чином, маємо тепло-

відвід лише від найбільш розігрітої частини кромки.

Другим шляхом оцінки ефективності запропонованих нових рішень є

якісна порівнювальна характеристика термонапруженого стану конку-

руючих конструкцій поршнів в перехідному процесі навантаження

двигу-

на.

Кількість запропонованих конструктивних рішень тут є значно мен-

шою (див. рис.7.28), а виконання умовного аналізу – більш складною зада-

чею. Серед існуючих пропозицій зниження рівнів термічних напружень

тут в першу чергу розглядаються варіанти зменшення гостроти кромки КЗ

та обмеження швидкості навантаження дизеля за рахунок узгодження па-

раметрів постачання палива і

повітря. Відомим є також досвід виконання

розвантажувальних вибірок на кромці.

Згідно з загальною постановкою задачі термопружності величина

термічних напружень в контрольній зоні в довільний момент часу зале-

жить від перепаду температур між характерними точками деталі

21−

∆

, її

характерного розміру

, коефіцієнта термічного розширення матеріалу α

коефіцієнта температуропроводності

та інших властивостей:

,...),,,,,(

т21

∆

=σ

−

Eaxtf

21−

Виходячи з цього, можна говорити, що зменшення перепаду темпе-

ратур між зоною кромки КЗ та периферійною зоною донця поршня

∆

358

(точки 1, 2 рис.7.27) слід розглядати, як можливий напрямок зменшення

закидів термічних напружень в зоні кромки (про закиди термічних напру-

жень мова йшла при розгляді рис.1.8). Виходячи з цього розробимо тепло-

вод, що забезпечує зменшення закидів термічних напружень завдяки пере-

розподілу теплових потоків у тілі поршня.

Такий тепловод може мати дві функціональні

ділянки. З них перша

відповідно до рис.7.30, в розміщується в тілі поршня між кромкою КЗ та

периферійною зоною вогневої поверхні донця поршня. Її призначення –

зменшення теплоперепаду

між розглянутими зонами. Друга ділянка

розташована співвісно до бокової поверхні поршня та на зовнішній своїй

поверхні має низькотеплопровідне покриття, що оперезує тепловід в зоні

поршневих кілець. Це дозволяє посилити тепловідведення переважно до

нижньої частини кільцевого поясу і частково обмежити тепловий потік до

першого ПК. Таким чином, ефект підвищення ресурсу КЗ

за рахунок одно-

часного зменшення закидів термічних напружень та рівнів температур в

зоні кромки досягається шляхом впровадження Г-подібної геометрії кіль-

цевого тепловоду.

21−

∆t

Існують й інші шляхи підвищення ресурсу конструкції, але вже зро-

зуміло, що наведені приклади утворюють уявну словесно-графічну модель

та уявний аналіз можливої її ефективності. Після розробки уявної

моделі

поршня і виконання її попереднього аналізу здійснюють перехід до вико-

ристання моделей вищих рівнів складності.

7.5.4. Використання моделі нечітких смислових відношень

для аналізу початкових точок оптимізації

конструкцій поршнів

Вище було вказано, що досвід проектування двигунів внутрішнього

згоряння як складних технічних систем в наш час передбачає обов’язкову

реалізацію творчих здібностей

конструктора і відповідно до особливостей

мислення вживання нечітких смислових понять. З цього приводу в попере-

дньому пункті під час пошуку ефективної конструкції поршня на основі

будови її уявної моделі ми розглядали можливий температурний і термо-

напружений стан деталі. Шляхом вирішення відповідної математичної за-

дачі отримаємо чисельну інформацію щодо термонапруженого стану

поршня та на цій основі виконаємо подальшу оцінку якості конструкції.

359