Коэффициенты запасов прочности для типовых деталей ДВС

Все эти сведения нужны при расчетах напряжений по инженерным методикам. При квалифицированных расчетах МКЭ автоматически учитываются и масштабный фактор, и концентрация напряжений, и поверхностная обработка, и особенности нагружения в эксплуатации, поэтому коэффициенты запаса n для типовых деталей ДВС берут из табл. 2.3.

Детали форсированных двигателей работают в условиях переменных по длительности циклов нагружения с выдержками при максимальной температуре, что приводит к резкому уменьшению числа циклов до разрушения. Могут возникать неизотермически мягкое (рис. 2.6, а) и неизотермически жесткое (рис. 2.6, б) нагружения. При высоких циклических температурах появляется малоцикловая усталость (рис. 2.7), которая резко снижает долговечность вследствие возникающих процессов ползучести в материале.

В этих случаях необходимо решать упругопластические задачи. На практике эти задачи решаются двумя методами – с применением метода переменных параметров упругости или с использованием теории ползучести.

В случае многоосного напряженного состояния обычно используют энергетические условия начала пластической деформации Максвела – Хубера s _i= s_т, по которому пластическая деформация возникает при интенсивности напряжений s_i, достигающей предела текучести при растяжении s_т. Здесь по теории малых упругопластических деформаций изменение деформаций от напряжения рассматривается в виде обобщенного закона Гука:

(2.19)

где Е,G – модули упругости материала первого и второго рода; m, a_т – соответственно коэффициент Пуансона и коэффициент линейного расширения; Т – изменение температуры в рассматриваемой точке детали. Принимается, что параметры упругости E¢, G¢, m¢ являются переменными для каждой точки тела и определяются следующими зависимостями:

; ; , где . (2.20)

На рис. 2.8 схематично показан процесс последовательных приближений при решении упругопластической задачи. Вначале по формулам (2.12) и (2.13) вычисляются интенсивности деформаций e_i0 и напряжений s_i0. В первом приближении величина точки 0₁ заменяется на

( ), при этом интенсивность напряжений равна ;

E= 3G*;

,

а s*=s_т материала.

Ползучесть

Основные детали двигателя, в том числе детали цилиндро-поршневой группы, работают при повышенных температурах. При этом в конструктивных материалах проявляются свойства ползучести и длительной прочности.

Под ползучестью понимают пластическую остаточную деформацию детали в зависимости от рабочей температуры, действующих нагрузок и времени. При этом в связи с протекающими остаточными деформациями в детали уменьшаются усилия, которые вызвали деформацию, и дальнейшая деформация при данной температуре прекращается. Это явление называется релаксацией напряжений. Оба процесса обычно происходят одновременно. На рис. 2.9 показаны деформации ползучести сплава АК4-Т, который часто применяется для поршней, для различных случаев приложения нагрузок.

В кривой ползучести можно выделить три участка (рис. 2.9, а – участок упругого деформирования не учитывается): I – участок, где скорости деформирования за счет упрочнения уменьшаются до скорости, которая сохраняется на протяжении второй стадии деформирования (II – участок), на третьем участке (III) скорость ползучести возрастает и заканчивается разрушением, причем при вязком разрушении образуется шейка на образце растяжения, а при хрупком – образуются внутренние трещины. Для вязкоупругих материалов кривая ползучести сохраняет свой вид и при постоянном нагружении, и при пульсирующем, или синусоидальном, переменном во времени нагружении. Исследования О.В. Соснина, Б.В. Горева, А.Ф. Никитенко [5] показали, что продолжительность процесса ползучести не зависит от чередования и времени приложения к образцу нагрузок и температур, а зависит от общей работы разрушения (или разупрочнения), которая определяется площадью под кривой ползучести (рис. 2.9, а – площадь заштрихована).

В общем случае скорость разрушения вязкоупругого материала в процессе ползучести может быть описана уравнением

, (2.21)

где A_* – энергия разрушения данного материала;

s_э – эквивалентное напряжение

. (2.22)

Константы b, a и b определяются из экспериментальных данных: x= 0 при кручении, x= при растяжении, x= при сжатии.

Энергетический вариант теории ползучести позволяет определять долговечность деталей ДВС с учетом истории нагружения, учитывающей любые изменения температурно-силового диапазона, и совпадает с теорией длительной прочности. Под длительной прочностью понимают время в часах, в течение которого материал выдерживает нагрузку при заданных температуре и напряжениях. Например,
сталь 40Х10С2М при 550 °С выдерживает нагрузку s_дл = 24^кг/_мм² в течение 100 ч (табл. П.10).