Современные информационные технологии/

Вычислительная техника и программирование

К.т.н. Мутовина Н.В., ст.преп. Краснова Н.Н., преп. Рудометкина М.Н.,

студ. Афанасьева Т.А.

Карагандинский государственный технический университет

Расчёт напряжённо-деформированного состояния шатуна

Шатун — деталь, соединяющая поршень и шатунную шейку коленчатого вала или движущих колёс паровоза. Служит для передачи возвратно-поступательных движений поршня к коленчатому валу или колёсам для преобразования во вращательное движение. Для меньшего износа шатунных шеек коленчатого вала между ними и шатунами помещают специальные вкладыши, которые имеют антифрикционное покрытие. Деталь типа шатун является звеном шатунно-кривошипного механизма плунжерного насоса, который предназначен для откачки нефти. Шатун предназначен для передачи силы от поршня и преобразования его возвратно – поступательного во вращательное движение коленчатого вала двигателя.

При работе шатуны подвержены действию значительных знакопеременных рабочих нагрузок и сил инерции. Для этого шатун должен обладать достаточной прочностью и жесткостью при наименьшей возможной массе. Все элементы имеют определенные функции и отказ от каких-либо элементов недопустим, т. к. это приводит к ухудшению или даже к полной потере работоспособности механизма. На основании изучения условий работы шатуна, а также его конструкции не целесообразно применять сварную или армированную заготовку. Назначение детали не позволяет упростить деталь, заменить материал на более дешевый или легкообрабатываемый. Шатун имеет труднодоступное для обработки отверстие для фиксации вкладыша, т.е. необходимо дополнительное приспособление для обработки.

При обработке большинства размеров возможно совмещение конструкторской и измерительной базы. К детали предъявлены высокие требования по точности и шероховатости, т.е. обработку необходимо производить на оборудовании повышенной точности. Покрытие необработанных поверхностей – грунтовка ГФ – 0119 ГОСТ 23343–78. В целом конструкция достаточно технологична и её изготовление возможно.

Рисунок 1 - Эскиз шатуна

Шатун служит для соединения поршня с кривошипом коленчатого вала. Шатун состоит из: верхней головки, стержня двутаврового сечения и нижней разъемной головки. Шатун изготавливают из высоколегированной стали. В верхнюю головку шатуна запрессовывается втулка из оловянной бронзы. Нижняя крышка крепится к шатуну с помощью стальных болтов. В нижней крышке шатуна имеется отверстии для направления разбрызгивания масла. Нижние крышки маркируются номером цилиндра. Нижняя головка шатуна по ширине меньше диаметра поршня, что позволяет выполнять поршень с шатуном через верх цилиндра. В нижней головки шатуна размещены вкладыши изготавливаемые из стальной ленты и покрытые тонким слоем антифрикционного покрытия от проворачивания в нижней головке вкладыши удерживаются выступами, которые входят в канавки, в крышки шатуна. Материалом детали у нас будет сталь 45 с модулем Юнга E=20 МПа и коэффициентом Пуассона 0,26. Толщину шатуна примем 20 мм.

Для выполнения данной работы была выбрана программа – ANSYS. Для конечно-элементной модели (КЭМ) шатуна выбираем плоский четырёхугольный 8-узловой элемент с функцией формы второго порядка Plane 82.

Отображение деформированного и недеформированного состояния шатуна. Устанавливаем первый вариант расчёта для отображения. Для статической задачи он является единственным: Main Menu: General Postproc>Read Results>First Set. Отображение деформированного состояния шатуна: Main Menu: General Postproc>Plot Results>Deformed Shape. Выбрать Def + undeformed и нажать ОК.

Рисунок 2 - Деформированное и недеформированное состояние шатуна

Отображение полей напряжений и деформаций для ключевых точек. Отображение полей напряжений по Von Mises: Main Menu: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

Выбрать Stress (показать напряжения). Далее выбрать von Mises Stress (эквивалентные напряжения по Von Mises).

Рисунок 3 – Поля распределения напряжений, МПа

Отображение деформаций: Main Menu: General Postproc>Plot Results>Contour Plot>Nodal Solu.

Выбрать DOF Solution>Displacement vector sum и ОК.

Рисунок 4 - Поля распределения деформаций, МПа