Актуальність теми
Світові тенденції розвитку двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), темпи їх проникнення на ринки збуту та досвід розробки свід¬чать, що поряд із суттєвим підвищенням вимог до техніко-економічних показни¬ків неодмінними виступають умови значного зменшення проектних витрат та скорочення часу розробки проекту. При цьому висока функціональна складність двигунів, жо-рсткі вимоги до термінів реалізації проектно-конструкторських робіт, скорочення всіх інших ета-пів життєвого циклу конструкції, обмеження по вар¬тості проектів постійно вступають у проти-річчя з існуючими методами проек¬ту¬вання. Саме внаслідок цієї обставини сучасні концепції і тех-нології проектування є основними факторами, що визначають рівень досконалості нової техніки.
Важливим якісним моментом сучасного проектування є дотримання концепції, що поєднує науково-технічні та ринкові аспекти виробництва двигунів. Це до¬сягається шляхом орієнтації проекту на обраний сегмент споживчого ринку, тобто на забезпечення відповідності нового дви-гуна певним специфічним умовам його експлуатації.
Широкий досвід розробки, випробувань, експлуатації двигунів різноманіт¬ного призначення свідчить, що перспективне їх форсування є вкрай несприятли¬вим фактором, який визначає праце-здатність конструкції. Водночас важливо, що коли певна конструкція не задовольняє вимогам експлуатаційної міцності, то во¬на, незважаючи на показники інших критеріїв якості, безумовно відкидається. При цьому забезпечення заданого ресурсу (тривалої міцності) особливо термона-пружених зон деталей камери згоряння (КЗ), перш за все поршнів високофорсованих дизелів, є однією з важливіших проблем, які потребують свого розв’язання в процесі проектування двигу-нів, їх модерні¬зації.
Експериментально встановлено і теоретично показано, що рівень тривалої міцності поршня залежить від форми КЗ і конструкції поршня в цілому, особли¬востей підведення і відведення теп-лоти на його границях, суттєво нелінійної за¬лежності фізичних властивостей матеріалів від тем-ператури, рівня форсування двигуна, нестаціонарності його навантаження. Практично всі ці фак-тори є функцією моделі експлуатації двигуна наданого технологічного призначення.
Серед причин, які впливають на руйнування особливо термонавантажених зон поршнів, основними вважаються: миттєві пластичні деформації, що виникають на форсованих режимах ро-боти двигуна; малоциклова термічна утома, що ви¬значається наявністю перехідних процесів апе-ріодичного навантаження дизеля; багатоциклова термомеханічна утома, що обумовлена високоча-стотною періоди¬чною зміною значень параметрів робочого тіла в циліндрі двигуна; процес повзу-чості матеріалу в діапазоні робочих температур і термічних напружень поршнів; релаксація тер-мопружних напружень, що супроводжує процес повзучості за умов обмежень деформацій остан-ньої.
На засадах урахування цих причин і факторів отримано значний досвід щодо забезпечення працездатності теплонапружених зон поршнів при досягнутому рів¬ні форсування двигунів, роз-роблено рекомендації з їх конструктивного вико¬нання. Водночас у вітчизняній і світовій літера-турі відмічається, що при пер¬спективних рівнях форсування дизелів виникають суттєві труднощі щодо забезпечення за¬даного ресурсу конструкцій. При цьому в загальному випадку множина конкуру¬ючих конструктивних рішень, що підлягає аналізу, не є визначеною. Це означає, що усі впливові фактори в процесі проектування поршнів повинні широко варіюватися з метою узго-дження вимог технічного завдання та власно результатів проектуван¬ня.
Реальним шляхом розв’язання цієї проблеми є: подальший розвиток науко¬вого уявлення що-до процесів накопичення руйнуючих пошкоджень в особливо термонавантажених зонах поршнів; розробка відповідного комплексу методик з прогнозування вказаних процесів; розширення набо-ру характеристик пружно-пластичного високо¬темпе¬ратурного деформування матеріалу; ви-користання методів і засобів САПР, впровадження яких направлене на реальне отримання резуль-тату з підвищення якості поршнів за умов використання уто¬чнених моделей при жорстких обме-женнях на час проведення багатоваріантного аналізу конкуруючих конструкцій та вартість проек-ту.
У зв’язку з вищесказаним, актуальність дисертаційної роботи полягає в роз¬робці комплексу науково обґрунтованих методик, що дозволяють забезпечити за¬даний рівень експлуатаційної три-валої міцності поршнів перспективних швидко¬хідних дизелів з використанням методів і засобів САПР.