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

Подождите немного. Документ загружается.

Аналіз

компоновки

головки

Синтез

геометрії

головки

Синтез

геометрії

каналу

Газодинамічний

аналіз

каналу

Оптимізація каналу

з урахуванням

геометрії головки

Конструкторська

документація

Технічне завдання

До наступних

підсистем

Рисунок 2.9 – Структурна схема процесу проектування

газоповітряного каналу головки циліндрів ДВЗ

Синтез осі

газоповітряного

каналу

Перевірка

обмежень

Синтез

профілю

каналу

Синтез

геометрії

головки

Перевірка

обмежень

Перевірка

обмежень

Розміщення

каналу

в головці

Перевірка

обмежень

Технічне

завдання

До систем

функціонального

аналізу

Рисунок 2.10 – Структурна схема підсистем синтезу

геометричної моделі головки циліндрів

ного рівня характеристик системи кільцевого ущільнення, профілювання

бокової поверхні, конструювання бобишек.

З урахуванням відомих алгоритмів та підходів до розв’язання перелі-

чених питань розробку конструкції поршня доцільно виконувати з викори-

станням набору окремих багатоетапних САПР. Розглянемо будову багато-

етапної САПР КЗ поршня дизельного двигуна.

Можна вважати, що при проектуванні КЗ множину

обраних критеріїв

ефективності

(див. вираз (1.1)) складатимуть:

• середньоексплуатаційна витрата палива

⋅

пe

ср

∑

iee

, (2.1)

де

– відповідно ефективна потужність, питома ефективна витра-

та палива, частина часу роботи дизеля на

-му представницькому режимі

за термін, наприклад, річної його експлуатації;

– коефіцієнт, який вра-

ховує вплив перехідних процесів роботи двигуна на його паливну економі-

чність;

iee

gN τ,,

• питомий середньоексплуатаційний викид основної шкідливої ре-

човини, якою для відпрацьованих газів дизелів перш за все є викид оксиду

азоту

⋅

ср

NO п

KЕ

∑

, (2.2)

де

– погодинний викид оксиду азоту для кожного з -х представни-

цьких режимів обраної моделі експлуатації;

– коефіцієнт, який вра-

ховує вплив перехідних процесів на токсичність відпрацьованих газів ди-

зеля.

Аналогічно можна врахувати викиди інших шкідливих речовин:

• відносний ресурс роботи кромки КЗ до розтріскування

τ= , (2.3)

де – термін роботи поршня до руйнування (розтріскування) кромки КЗ

за обраною моделлю експлуатації

, год;

– запланований моторесурс

дизеля до його капітального ремонту, год.

При цьому загальна схема проектування КЗ буде мати вигляд відпо-

відно до рис.2.11. Бачимо, що в наданій багатоетапній САПР підлягають

розв’язанню всі чотири задачі, які сформульовані в п.1.3. Так, опис геоме-

тричних та фізичних характеристик об’єкта проектування здійснюється в

підсистемі

синтезу геометричної моделі поршня (блок 1), опис його функ-

ціонування – в п’яти підсистемах аналізу (блоки 3 – 7), реалізація багато-

критерійної оптимізації – в блоці 8, опис характеристик об’єкта проекту-

вання, які необхідні для його виробництва – в підсистемі синтезу констру-

кторської документації (блок 9). При цьому блок 2 передбачає наявність

даних з певної моделі експлуатації. Останнє

означає, що зміна моделі екс-

плуатації

з множини можливих експлуатаційних режимів роботи двигу-

на

дозволяє знайти інше оптимальне значення вектора конструктивних

параметрів

опт

, тобто вирішується завдання розподілу ринку.

Синтез геометричної моделі поршня в складі поданої багатоетапної

САПР можна реалізувати в одноетапній підсистемі. Внутрішню структуру

останньої наведено на рис. 2.12, де видно, що ця підсистема повинна здій-

снювати генерацію конструкції поршня як з типових, так і з оригінальних

елементів. При цьому під оригінальними елементами об’

єкта проектування

(блок 5) розуміють ті, які на даному етапі розвитку системи не ввійшли до

типового набору

. Саме використання оригінальних елементів констру-

кції поршня дозволяє віднести останній до об’єкта проектування класу ЦС

II. Приклади синтезу геометричних моделей поршнів буде подано в п.7.4.

Обов’язковими складовими підсистеми синтезу геометрії певного

вузла, деталі чи її складової частини є блоки перевірки обмежень знахо-

дження значень вектора конструктивних параметрів ЦС в

межах множини

можливих варіантів конкуруючих конструкцій об’єкта проектування. Такі

блоки можна легко знайти на рис.2.10 та 2.12. У випадку, коли для типово-

го об’єкта проектування множина можливих варіантів конкуруючих конс-

трукцій

надана системою обмежень вигляду

()

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

=≥= lkxФxX

,...,2,1,0

, (2.4)

Модель

експлуатації

Підсистема аналізу

ефективності робочого процесу

Підсистема аналізу

токсичності викидів

Підсистема аналізу

температурного стану поршня

Підсистема аналізу

термонапруженого стану поршня

Підсистема аналізу

тривалої міцності

високотермонавантажених

зон КЗ

Блок багатокритерійної

оптимізації

Підсистема синтезу

конструкторської документації

Технічне

завдання

До попередніх

підсистем

Підсистема синтезу

геометричної моделі поршня

До наступних

підсистем

Рисунок 2.11 – Загальна схема проектування КЗ поршня в САПР

Синтез

геометрії КЗ

Перевірка

обмежень

Перевірка

обмежень

Синтез

геометрії інших

типових елементів

поршня

Перевірка

обмежень

Синтез

геометрії

оригінальних

елементів поршня

Перевірка

обмежень

Сполучення

елементів, що

складають

конструкцію поршня

Технічне

завдання

До систем

функціонального

аналізу

Рисунок 2.12 – Структурна схема підсистеми синтезу

геометричної моделі поршня

підпрограми перевірки сукупності цих обмежень достатньо прості. Вони

містять алгоритми аналізу дотримання умови (2.4) (тут

–

угнуті функції). Водночас використання об’єктів проектування класу ЦС II

і, відповідно, творчих здібностей конструктора неодмінно потребують мо-

жливості візуального контролю процесу синтезу.

lkxФ

,...,2,1),( =

Одним з наочних прикладів застосування візуального контролю мо-

же бути задача з компонування привода електронного керування рейкою

паливного насоса. Результат її розв’язання подано на рис.2.13. У даному

випадку пошук рішення здійснюється шляхом автоматизованого опису до-

вільних тривимірних елементів об’єкта проектування за командами конс-

труктора. Надалі, після отримання віртуальної моделі складальної одиниці,

конструктор безпосередньо на екрані монітора виконує візуальний конт-

роль оригінального просторового розміщення синтезованих елементів та

приймає рішення щодо подальшого редагування геометричної моделі. За

цих умов поданий підхід є набагато ефективнішим, ніж використання ме-

тодів

двовимірного креслення з наступним аналізом останнього.

исунок 2.13 – Просторове розміщення елементів механізму

електронного привода рейки паливного насоса ЧЗТА 435:

а, б – зміна точок огляду моделі (ВАТ АВТРАМАТ, з-д “Поршень”)

Внаслідок того, що інформація стосовно геометрії деталей є сполуч-

ною ланкою між конструкторським і зовнішнім функціональним описами

двигуна, графічне подання результатів

в процесі аналізу й оптимізації

проектних рішень також є обов’язковим. За приклади вказаного можна на-

вести графічну інформацію щодо зовнішнього функціонального опису

СТС, яку було подано на рис.1.9, б; 1.18; 1.19.

Заключним етапом роботи розвинутих багатоетапних САПР є синтез

конструкторської документації (див., наприклад, рис.1.12, 1.13). Виконан-

ня останнього є також кінцевим завданням

роботи інтегрованої системи.

Зрозуміло, що залучення підсистем машинної графіки є обов’язковою умо-

вою автоматизованого виконання і цього етапу робіт.

Таким чином, видно, що візуалізація геометричної та генерація крес-

лярсько-графічної інформації необхідна практично на кожному етапі про-

цесу проектування. Це положення є характерним прикладом необхідності

багаторазового використання в САПР типових підсистем обслуговування.

Повернемось до розгляду рис.2.11 та нагадаємо, що система аналізу

конструкції поршня

тут є достатньо складною. Її утворено з п’яти одноета-

пних САПР. Це блоки 3 – 7. При цьому блоки 3, 4, 7 (аналізу робочого про-

цесу, токсичності викидів, тривалої міцності) є об’єктно-орієнтованими

(спеціалізованими) системами. Відповідно до рис.2.1 їх основу складають

елементи об’єктно-залежного модуля САПР. Водночас до систем блоків 5 і

6 слід

залучати об’єкно-незалежну (типову) підсистему аналізу температу-

рного та напружено-деформованого стану деталей, що входить до складу

об’єктно-незалежного модуля.

На завершення підкреслимо, що поєднання роботи усіх складових

певної функціональної підсистеми САПР в єдиному комплексі регламен-

тується відповідним МЗ на основі використання структурної схеми розра-

хункового блоку системи, встановлення

рівнів та напрямків розв’язання

часткових задач проектування (див. рис.2.4). Останнє означає, що сполу-

чення фрагментів проектування, які на рис.2.8 відповідають умовному рів-

ню

, слід здійснювати за комбінованим маршрутом, загальну схему якого

подано на рис.2.5, в. В даному випадку кожен блок маршруту рис.2.5, в

слід розглядати як багатоетапну САПР. Разом з цим повинно бути ясно, що

в загальному випадку робота багатоетапної САПР завершується вирішаль-

ною операцією. На рис.2.11 такою операцією закінчується робота блоку

синтезу

конструкторської документації (блок 9). Тут перехід до роботи на-

ступної за маршрутом проектування багатоетапної САПР буде здійснено

тільки тоді, коли отриманий конструкторський опис задовольняє ТЗ.

2.4. Зміна складу, ієрархії підсистем та внутрішніх

зв’язків в багатоетапній САПР за адаптивною

стратегією проектування

Ефективність кожної операції, що входить до маршруту проектуван-

ня, визначається часом та ресурсами, які на неї витрачаються. Водночас

отримане значення критерію якості двигуна

також є свідченням ефекти-

вності обраної стратегії. Саме за комплексом цих показників оцінюють

ефективність обраної стратегії проектування в цілому.

Розробка альтернативних адаптивних стратегій проектування пови-

нна передбачати розв’язання двох задач:

Формулювання можливих наукових, технічних, економічних, ор-

ганізаційних проблем, що виникають при проектуванні ЦС.

Пошук варіантів розв’язання сформульованих проблем та вико-

нання описів вирішальних правил.

Формулювання можливих проблем проектування здійснюється на

основі досвіду виконавців і експертів проекту шляхом аналізу отриманих

результатів для однотипних задач, аналізу існуючих математичних мето-

дів, недоліків їх використання тощо.

За приклад розглянемо проблему розробки альтернативних адаптив-

них стратегій проектування КЗ

поршня швидкохідного дизеля. На сьогодні

в світовій практиці можна виділити два основних підходи до проектування

КЗ. Перший з них є загальним та передбачає виконання синтезу, аналізу,

оптимізації конструкції з урахуванням впливу температури стінок камери

на показники ефективності робочого процесу двигуна і токсичності його

викидів, на ресурс особливо термонавантажених зон поршня.

Вітчизняним

інтегрованим прикладом робіт з цього напрямку є дослідження вчених ка-

федри двигунів внутрішнього згоряння НТУ “ХПІ” під керівництвом

проф. А.Ф.Шеховцова. Ними виконано комплекс експериментально-

розрахункових та теоретичних робіт для широкого класу дизельних двигу-

нів. Щодо швидкохідного дизеля 4ЧН12/14 експериментальні роботи про-

ведено в інтервалі змін температури кромки КЗ

270 ºС – 710 ºС. При цьому

можна зробити однозначні висновки, що отримання достовірних результа-

тів потребує обов’язкового поєднання вибраних математичних моделей за

впливом температури стінок КЗ на значення часткових критеріїв ефектив-

ності конструкції. Тут пошук компромісного рішення між критеріями па-

ливної економічності по залежності (2.1), токсичності викидів двигуна по

залежності (2.2), а також

відносного ресурсу кромки КЗ його поршня по

залежності (2.3) може бути виконано з використанням загальної схеми і за-

гальної адаптивної стратегії проходження проекту, яку подано на рис.2.11.

Найбільш складною процедурою при цьому є багатокритерійна оптиміза-

ція конструкції в блоці 8.

Інший підхід до розробки конструкції КЗ базується на першочерго-

вому врахуванні тільки значень показників економічності й токсичності

двигуна. Відповідну схему проходження проекту в САПР подано на

рис.2.14. У цьому випадку забезпечення потрібного рівня тривалої міцнос-

ті поршня (блок 9) здійснюється тільки після визначення геометрії КЗ, що

є оптимальною з точки зору якості робочого процесу (блок 5). Рівень скла-

дності задач оптимізації при

цьому знижується, а схема проектування КЗ

спрощується. Вона буде альтернативною до загальної схеми рис.2.11. При

цьому особливість використання альтернативної схеми полягає в тому, що

робота блоку оптимізації 9 передбачає зміни лише тих конструктивних па-

раметрів конструкції, які не впливають на значення критеріїв ефективності

робочого процесу.

Наведемо приклад перевірки можливості використання схеми

рис.2.14. Цю перевірку виконано для поршня з відкритою КЗ дизеля

6ЧН12/14 (СМД31.15). Рівень форсування двигуна – 20 кВт/л. Розрахунки

робочого процесу та оцінку емісії оксидів азоту реалізовано за методиками

наукової школи проф. Н.Ф.Разлейцева.

На першому етапі робіт визна-

чено вплив температури стінок КЗ

поршня на питому ефективну витра-

ту

палива та на індекс емісії ок-

сидів азоту

. Температура сті-

нок КЗ

в зоні взаємодії палив-

ного факела з останніми в чисельно-

му експерименті змінювалась в ши-

рокому діапазоні: 150 °С – 700 °С.

Результати розрахунків наведено в

табл.2.1. Вони ще раз підтверджу-

ють, що в загальному випадку тем-

пература стінок КЗ є фактором, що

впливає на основні показники робо-

ти дизеля. Це означає,

що у разі при-

йняття радикальних рішень щодо

проектування поршня слід користу-

ватись першим з розглянутих підходів, тобто забезпечувати обов’язкове

врахування впливу температури стінок КЗ на робочий процес.

ст

Таблиця 2.1 – Вплив температури

стінок КЗ на показники роботи дизеля

6ЧН12/14 при його форсуванні до

20 кВт/л (

=195 кВт, =2000 хв

-1

)

N n

ст

°С

g ,

г/(кВт·год

)

кг/год

150 227,97 2,286

200 227,66 2,269

250 227,53 2,251

300 227,26 2,232

350 226,71 2,150

400 226,71 2,134

450 226,58 2,116

500 226,44 2,097

550 226,30 2,078

600 226,17 2,004

650 226,17 1,985

700 226,17 1,967

Рисунок 2.14 – Альтернативна до загальної схема проектування КЗ

поршня в САПР:

– основні інформаційні потоки;

– допоміжний потік

Підсистема синтезу

геометричної моделі поршня

Модель

експлуатації

Підсистема аналізу

ефективності робочого процесу

Підсистема аналізу

токсичності викидів

Блок оптимізації

Підсистема аналізу

температурного стану поршня

Підсистема аналізу

термонапруженого стану поршня

Підсистема аналізу

тривалої міцності поршня

Блок оптимізації

Підсистема синтезу

конструкторської документації

До наступних

підсистем

Технічне

завдання

До попередніх

підсистем