Пример использования ANSYS Workbench для расчёта прочности поршневого пальца

Цель расчёта - оценка статической прочности поршневого пальца.

Допущения - влиянием динамических эффектов и силами трения о стенки цилиндра пренебрегаем.

Исходные данные:

  • Геометрическая модель сборки поршня, поршневого пальца, вкладыша и шатуна.
  • Давление на внешнюю поверхность поршня 130 атм.

Последовательность выполнения расчёта:

  1. Импортирование исходной геометрии в модуль DesignModeller для редактирования.

    2. Рисунок 1. Вид окна модуля DesignModeller после импортирования геометрии.

  2. Упрощение геометрии. Поскольку конструкция и нагрузка симметричны относительно двух взаимноперпендикулярных плоскостей, то в целях уменьшения количества конечных элементов используем это свойство симметрии и рассмотрим одну четвёртую часть конструкции, а также отбросим из расчёта часть шатуна, не представляющую в данном случае интерес, отступив от места соединения его с пальцем 65 мм. На рисунке 2 показан вид после использования инструментария модуля DesignModeller для осуществления описанных выше операций:

    3. Рисунок 2. Подготовленная для расчёта геометрическая модель сборки.

  3. Передача геометрической модели в модуль ANSYS Mechanical и задание граней модели, лежащих в плоскостях симметрии.

    4. Рисунок 3. Условия симметрии.

  4. Настройка контактных пар для учёта контактных взаимодействий в сборке. После импортирования геометрии в модуль ANSYS Mechanical, программа автоматически определила контактные пары, но задала их тип "по умолчанию" как склеенные (Bonded). Необходимо изменить тип контактного взаимодействия на стандартный с трением (Frictional) и задать соответствующие коэффициенты трения между деталями.

    5. Рисунок 4. Контактные пары в сборке и построение сетки сетка конечных элементов.

  5. Построение сетки конечных элементов.

    6. Рисунок 5. Расчётная конечно-элементная сетка сборки.

  6. Определение граничных условий и нагрузок. Ограничиваем вертикальные смещения (Displacement Y=0) для "нижней" грани шатуна и прикладываем давление на "верхнюю" поверхность поршня 13.172 МПа (130 атм.).

    7. Рисунок 6. Нагрузки и граничные условия.

  7. Настраиваем решатель и решаем задачу. Поскольку при нагружении детали будут деформироваться, то будет происходить изменение площадок контакта между деталями и, следовательно, будет происходить перераспределение силовых потоков, поэтому эти изменения необходимо учитывать, включив опцию учёта конечных перемещений (Large Deflection) в настройках решения (Analysis Settings). Таким образом задача становиться геометрически нелинейной и для её успешного решения следует прикладывать нагрузку постепенно, чего можно добиться "разбив" единственный шаг нагружения на последовательность "подшагов" с помощью настроек автоматического шага по времени (Auto Time Stepping). На рисунке 7 показано окно настроек анализа с установленными опциями.

    8. Рисунок 7. Окно настроек анализа с установленными опциями

  8. Анализ полученных результатов.

    9. Рисунок 8. Эквивалентные напряжения Мизеса в материалах конструкции.

  9. Поскольку цель расчёта - оценка статической прочности поршневого пальца, то необходимо получить максимальные эквивалентные напряжения в его материале.

Рисунок 9. Эквивалентные напряжения Мизеса в материале пальца.

Максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу реализуются на внутренней поверхности отверстия в пальце, в зоне между его опорами на шатун и поршень, при этом их величина не достигает предела текучести материала пальца. Следовательно, статическая прочность шатунного пальца при однократном нагружении сохраняется.