Малоцикловая усталость сварных конструкций, изготовленных из отечественных и импортных материалов

Программа предусматривает проведение комплексного кинематического и силового исследования одно- или двухцилиндровых кривошипно-ползунных механизмов (КПМ) двигателей внутреннего сгорания [1, 2]. Ограничение числа цилиндров связано со стремлением к уменьшению объемов однотипных расчетов для получения приемлемого соотношения с располагаемым временем выполнения работы.

В результате выполнения силового расчета определяются усилия, действующие на звенья кривошипно-ползунного механизма двигателя, находятся реакции связей каждого из звеньев и вычисляется уравновешивающий момент, который прикладывается к коленчатому валу двигателя со стороны трансмиссии и обеспечивает выполнение условий равновесия двигателя. Данные, полученные в рамках силового расчета, в дальнейшем необходимы для уточнения кинематического и силового расчетов при выполнении аналогичных расчетов по следующим приближениям, проведении дальнейших расчетов на прочность, жесткость, износостойкость, для анализа колебательных процессов и многого другого [3–11].

Программа позволяет в автоматическом режиме после ввода исходных данных наглядно продемонстрировать на экране дисплея работу КПМ, получить изображения векторных определяемых кинематических и динамических параметров, привязанных к заданному положению механизма, и считать с экрана модули и величины, определяющие направления рассчитанных параметров.

Описание программы

Постановка задачи. Кинематический и силовой анализ КПМ четырехтактного двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. При этом рассчитываются линейные и угловые ускорения звеньев КПМ, определяются действующие на них усилия и уравновешивающий момент.

Цель исследования – визуализировать работу КПМ и траектории движения характерных его точек, автоматизировать расчет линейных и угловых скоростей и ускорений звеньев КПМ и уравновешивающего момента. Разработать программу в среде Turbo-Pascal для работы в любой системной среде.

Алгоритм программы. Для кинематического и силового анализа КПМ выполняются исследования характера движения заданных точек механизма (шарниров В и Е, соединяющих шатуны и поршни цилиндра и центры масс С и D шатунов). С этой целью в рамках первого этапа программирования составлены уравнения движения этих точек, определены их скорости и ускорения, рассчитан радиус кривизны траектории центра масс шатуна С.

На втором этапе исследуются кинематические параметры движения звеньев механизма и их характерных точек с целью получения исходных данных для силового анализа, предусмотренного к выполнению в третьем этапе.

В итоге работы определяются реакции во всех соединениях звеньев механизма и уравновешивающий момент, приложенный к кривошипу в рассматриваемом положении.

Краткое описание программы. Программа, рассчитывающая механизмы ДВС, состоит из 9 частей.

• 1.    Графическими утилитами выводится титульный лист (заставка) программы; описываются переменные и константы, непосредственно участвующие в решении задачи.

• 2.    Ввод данных. Параметры, необходимые для расчетов вводятся пользователем с клавиатуры, при этом необходимо соблюдать единицы измерения величин. Ввод данных:

─ радиус кривошипа;

─ длина шатуна;

─ угловое положение кривошипа;

─ масса шатуна;

─ масса поршня;

─ радиус инерции шатуна;

─ максимальное давление в цилиндре;

─ частота вращения;

─ диаметр цилиндра;

─ относительное положение центра масс шатуна.

Линейные размеры вводятся в мм; масса поршня в кг; угловое положение кривошипа в градусах; радиус инерции шатуна в м ; максимальное давление в цилиндре в Н/мм; частота вращения в об/мин; относительное положение центра масс шатуна – безразмерная величина принимает значения от 0,0 до 0,5.

• 1.    Наглядное представление цикла работы ДВС представлено в режиме анимации.

• 2.    Исследование движения точек механизма ДВС. Составлены уравнения движения заданных исследуемых точек с последующим определением по ним векторов скоростей и ускорений, радиуса кривизны траектории движения центра тяжести шатуна в соответствующий заданному положению механизма момент времени.

• 3.    Кинематическое исследование звеньев механизма. Отыскиваются кинематические параметры, определяющие движение каждого из звеньев механизма и характерных их точек, необходимых для перехода к третьему этапу (силовому расчету механизмов).

• 4.    Силовой расчет кривошипно-ползунного механизма ДВС. Рассчитывается и оценивается величина внешних и инерционных сил и моментов, прикладываемых к подвижным звеньям рассматриваемого механизма при его работе в заданном режиме и положении.

• 5.    Вывод данных. На экран выводятся полученные значения искомых величин. При этом для каждого этапа свои значения выводятся отдельно.

• 6.    На экран выводится диаграмма перемещения поршня.

• 7.    На экран выводится циклограмма работы ДВС.

Вычисляются внешние и внутренние реакции, которые действуют на каждые из подвижных звеньев со стороны сопряженных с ними элементов.

Определяется уравновешивающий момент, который, с одной стороны, необходим для обеспечения равновесия механизма ДВС в рассматриваемом положении, а с другой – показывает момент, передаваемый на трансмиссию.

Для повышения информативности и обеспечения возможностей тестовых проверок была проведена разработка алгоритма и программного обеспечения для автоматизации кинематических и силовых расчетов КПМ. Листинг разработанной и отлаженной программы приведен ниже1.

Program КПМ;

Uses Crt, Graph;

var Driver, k, il, I, mj, x8, y8, X9,

• Y9, g, x, xl, xl l, y, yl, Mode: integer;

var C, S, C3, S3, fl, rl, lr, r2,12, II, w, mq, Vx, Vy, Vc, Wx, Wy, Wc, Wt, Wn, Rcp, Av, Aw, A2, Vb, Va, Vcl, a, b, d, VV 1, Ps, Av1, Be, q: real; var h, w2, Wnl, Wtl, Wal, Wcl, Wcy, Wox, Wtc, Wnc, Wb, E, Awl, F2i, G2, G5, F3i, M2i,

R12t, R03,

R12n Д12, My2, R01x, ROly, Myp, RO 1,

A 1: real; var Mp, Ms, Es, Pl, Iks, o, Pm, dl, M2, M3, i2: real; var r,

• f, l, n: integer; type rx=ar-ray[0..360] of real; var Ym, Xm: rx; label sot, sat, sun; const gl=9.81; r3=100; l3=250; var st:string;

begin

{Ввод данных}

Writeln ('Введите данные:');

write (' радиус кривошипа: '); readln (г);

write (' длина шатуна: '); readln(l); sun; write (' угловое положение кривошипа:’); readln(i);

if (f<0) or (f>720) then goto sun;

write (' масса шатуна:’); readln(M2);

write (' масса поршня: ');

readln(M3);

write (' радиус инерци ишатуна: ');

readln(I2);

wtite (' максимальное давление в цилиндре; '); readln(Pm);

write (' частота вращения:’);

readln(n);

write (' диаметр цилиндра:');

readln(dl);

sat: writeln (' относительное положение ');

write (' центра масс шатуна: '); readln(o);

if (o<0) or (o>l) then goto sat; fl:=pi*f/180; rl:=r/l000; 11:=l/l000,

С:=r*cos(fi)/l000; S:=r*sin(f 1)/1000.

{Расчеты}

w:= pi*n/30;

Vx:= – s*w-o*(rl*rl» w*sin(2*fl)/(2*sl(I)));

Vy:= (l-o)*c*w;

Vc:=sqrl(Vx*Vx+Vy*Vy);

Wx:= – c*w» w-o*rl *rl *w*w*((cos(2*n)/wt((l I *11 –

w*w))+(rl *rl *sqr (sin(24)))/ (4*sqrt (sqr(II *II – s*s)*(II *II – s*s)))));

Wy:= -(l-o)*s*w*w;

Wc:=sqrt(Wx*Wx+Wy*Wy);

Wt:= (Wx*Vx+Wy*Vy) A*c;

Wn:=sqrt(Wc*Wc-Wt*Wt); Rcp:=Vc*Vc/Wn*1000;

If Vx>0 then Av:= arctan((l/Vx)*sqrt(Vc*Vc-Vx*Vx))* IH0/pi else Av:=

180+arctan((IA*x)*sqrt(Vc*Vc-Vx*Vx))*l(t0)/pl.

If Vy>0 then Av:=Av else Av:=-Av+360;

lf Wx≥0 then

Aw:=arctan((l/Wx)*sqrt(Wc*Wc-Wx*Wx))*IK/pi else Aw:=

180+arctan((l/Wx)*sqrt(Wc*Wc-Wx*Wx))*IRO/pi.

If Wy≥O then Aw* Aw else Aw:=-Aw+160; {Graph Mode}

C3:=r3*cos(fi); S3:= r3 * in(fi);

Driver:=Delect;

InitGraph (Driver, Mixle,"), SetTextStyle(0,0, l);

SetBkColor (1);

SetColor (10);

For l:=0to720

C3:=r3*cos(lr).

Driver:=Detect;

InitGraph (Driver, Mode,");

SetBkColor (1);

Line (80,100,540,100);

Line (80,150,540,150);

OutTextXY (87,110, положение');

OutTextXY(87,130,’кривошипа в град.');

OutTextXY OutTextXY OutTextXY ДВИ’);

OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY OutTextXY

(87,160,’Такты рабочего’);

(87,180,' цикла цилиндра');

(210,80,'ЦИКЛОГРАММА РАБОТЫ

(263,175,'ГА'); (339,175,'ТЕ'); (416,175,’ЛЯ.’) (493,175,’Н.');

(235,141,'О');

(297,141,’180’) (374,141,'360') (451,141,'540') (516,141,720');

Line

Line

Line

Line

(80,200,540,200);

(80,100,80,200);

(540,100,540,200);

(232,100,232,200); for i:=l to 3

do begin

Line (232+round(i*77), 150,232+round(i*77), 200); end;

str(f, st);

SetColor (13); for i:=0 to 6 do begin h:=i*14;

Line (232+round(308/720*f), round(104+h), 232+round(Um/7*((M), KM t +round(((i+l)*7+74)));

end;

OutTextXY (234+round(308/720*f),

107,'f=');

OutTextXY (252+round(308/720*0,107, st); readIn;

CloseGraph; end.

Особое внимание при разработке программного обеспечения было уделено удобству и облегчению работы с компьютером с учетом сравнительно невысокого уровня подготовленности основной массы обучаемых к выполнению таких действий на ЭВМ. С целью обеспечения этого предусмотрен диалоговый режим ввода исходных данных.

Заключение

Разработанный алгоритм кинематического и силового анализа и его программная реализация позволяют после введения минимально необходимого числа исходных данных в автоматизированном режиме:

– продемонстрировать кинематическое и силовое взаимодействие в анимационном режиме между звеньями КПМ ДВС;

• –    наблюдать на экране дисплея траекторию движения любой характерной точки механизма;

• –    за короткий промежуток времени получить значения кинематических и силовых параметров, определяющих кинематическое и силовое взаимодействие между звеньями КПМ в указанном положении.

В результате имеем следующие варианты применения разработанной программы:

• ─    демонстрационный;

• ─    тренировочный;

• ─    проверочный;

• ─    анализирующий.

Демонстрационный вариант используется в случае необходимости наглядного уяснения кинематического взаимодействия между звеньями механизма и рассмотрения особенностей движения звеньев и точек КПМ.

Возможности тренировочного режима определяются при анализе особенностей и видов движения отдельных звеньев и характерных точек рассматриваемого механизма и его аналогов, возникающих при изменении одного или нескольких параметров.

При использовании проверочного варианта есть возможность надежного контроля выполненных расчетов и полученных результатов как на отдельных этапах работы, так и итоговых результатов.

В четвертом анализирующем варианте имеем возможности, с одной стороны, проанализировать характер качественного и количественного изменения интересующих нас параметров на отдельных сопряженных участках работы механизма, а с другой – проследить изменение соответствующих кинематических и силовых параметров в зависимости от принятых исходных данных и положения механизма.

Полученное программное обеспечение может быть использовано для подготовки инженеров по направлениям 23.05.02 – «Транспортные средства специального назначения» и 16.05.01 – «Специальные системы жизнеобеспечения» при изучении дисциплин «Теория машин и механизмов», «Детали машин и основы конструирования».