CAE оптимизирует срок службы от усталости в коленчатых валах дизельных двигателей

Представьте себе тяжелый грузовик, движущийся по скалистой горной местности, двигатель которого громко громчит.За этим, казалось бы, простым сценарием скрывается критический компонент, выдерживающий невообразимое напряжение: коленчатый вал.Как один из основных элементов двигателя, надежность коленчатого вала напрямую влияет на общую производительность и долговечность машины.Но как инженеры могут обеспечить стабильную работу в экстремальных условиях, предотвращая катастрофические сбои усталости??

В двигателях внутреннего сгорания коленчатые валы выполняют жизненно важную функцию преобразования движения поршня в вращающуюся силу, которая питает транспортные средства и оборудование.Работа совместно с цилиндровыми головками, соединительных стержней, валов и блоков двигателя, коленчатые валы выдерживают сложные, повторяющиеся динамические нагрузки на протяжении всего срока службы.

Эти нагрузки включают силы, генерируемые давлением сгорания цилиндра и инерционные силы от неравномерного распределения массы.Структурные особенности, такие как филе коленчатого винта и отверстия для масла, создают зоны концентрации напряжения и первостепенные места для потенциального отказа от усталостиКак наиболее распространенный способ отказа в коленчатых валах, усталость переломы могут вызвать серьезное повреждение двигателя и потенциально опасные аварии, что делает проверку надежности необходимым.

Современные проблемы проектирования, включая требования к большей емкости полезной нагрузки, меньшему весу, повышенной эффективности и более коротким циклам нагрузки, усилили давление на конструкцию коленчатого вала.Традиционные методы проектирования, основанные на опыте и физических испытаниях, являются как трудоемкими, так и дорогостоящимиКомпьютерная инженерия (CAE) теперь позволяет прогнозировать и оптимизировать производительность на ранних этапах проектирования, значительно сокращая сроки разработки при одновременном повышении надежности.

Данное исследование представляет собой комплексный подход к разработке, основанный на CAE, для четырехцилиндровых коленчатых валов дизельных двигателей, начиная от концептуального проектирования и заканчивая окончательной проверкой.Методология включает в себя следующие ключевые этапы анализа:

• Анализ свободных вибраций:Определяет естественные частоты и формы режимов для регулирования модальных параметров и предотвращения резонансных условий, которые могут усиливать вибрацию и ускорять усталость.
• Анализ изгиба/торсионной жесткости:Оценивает сопротивление деформации каждого метания коленки, поскольку недостаточная жесткость может ухудшить производительность двигателя и продолжительность его службы.
• Расчет фактора концентрации напряжения (SCF):Определяет локальные пики напряжения в критических областях филета, где обычно возникают сбои усталости.
• Анализ временной динамики:Симулирует поведение всей системы коленчатого состава (включая маховое колесо и шкив) в условиях эксплуатации для отображения закономерностей распределения напряжения.
• Оценка продолжительности жизни при усталости:Использует результаты стрессового анализа для прогнозирования срока службы с помощью специализированного программного обеспечения (например, FEMFAT), информируя о стратегиях проектирования и технического обслуживания.

3.1 Применение нагрузки и предельные условия

Точное моделирование нагрузки является основой для точного анализа CAE.моделирование двух полных вращений коленчатого вала для покрытия всех событий сгорания. Получаемые из диаграмм угла давления-крутки (P-θ), динамические нагрузки реализуются как угловые/временно-зависимые функции в соответствующих местах.Ротационный цикл делится на 360 шагов для детального разрешения.

Пограничные условия повторяют фактические ограничения установки ≈ основные журналы подшипников получают фиксированные или подшипниковые опоры для моделирования соединений блоков двигателя.Дополнительные соображения включают эффект смазочного масла, которые уменьшают трение, одновременно влияя на вибрационные характеристики.

3.2 Анализ свободных вибраций

Эта фаза определяет естественные частоты вибрации и соответствующие формы режима без внешнего возбуждения.Аналитики разделяют коленчатый вал на вычислительные элементы для решения уравнений движенияРезультаты указывают на структурные корректировки, изменяющие жесткость или распределение массы, чтобы отклонить естественные частоты от диапазонов эксплуатационного возбуждения и избежать резонанса.

3.3 Оценка сгибающей и торсионной жесткости

В качестве критических показателей устойчивости к деформации значения кривизны и торсионной жесткости рассчитываются с помощью моделирования конечных элементов с применением нагрузок момента или крутящего момента.Чрезмерная деформация из-за недостаточной жесткости может поставить под угрозу герметичность цилиндра (сгибание) или уменьшить мощность (торсию)Результаты информируют о оптимизации размеров или материалов для повышения жесткости.

3.4 Определение фактора концентрации напряжения

Геометрические прерывистые явления, такие как переходы филе и отверстия для масла, создают локализованную интенсификацию напряжения, что является основным фактором усталости.Значения SCF (отношение пикового к номинальному напряжению) получены с помощью уточненных расчетов сетки с конечными элементами и напряженного поля.Результаты указывают на геометрические улучшения, такие как увеличение радиусов филе или оптимизированные переходные профили для смягчения концентрации напряжения.

3.5 Транзиционное динамическое моделирование

Этот расширенный анализ фиксирует зависимое от времени поведение системы, включая инерционные, амортизационные и нелинейные эффекты.и штурвалы. Симулируя реальные сценарии: старт, ускорение, замедление, анализ генерирует историю смещения, скорости, ускорения и стресса для оценки усталости.

3.6 Прогноз жизни от усталости

Используя историю переходных напряжений в качестве ввода, программное обеспечение для анализа усталости применяет модели кривых S-N или ε-N для расчета накопленного ущерба от циклической нагрузки.Когда накопление ущерба достигает критического порогаЭта предсказательная способность информирует о ожиданиях дизайна и графиках обслуживания.

Результаты CAE позволяют на основе данных определять спецификации размеров, выбор материала и процессы тепловой обработки.усовершенствованные формы филетаИнженеры также должны координировать параметры коленчатого вала с соседними компонентами - геометрией соединительных стержней, свойствами массы летучего колеса - чтобы обеспечить совместимость системы.

Эта методология, основанная на CAE, обеспечивает всеобъемлющую оценку производительности коленчатого вала от первоначальной концепции до окончательной проверки.Картировка концентрации напряженияПо мере того как технология CAE развивается, она становится более эффективной и эффективной.его растущая роль в проектировании коленчатого вала будет продолжать стимулировать инновации в производительности двигателя и долговечности.