Процесс проектирования
В этой статье был предложен новый облегченный метод проектирования стальных поршней дизельных двигателей, а полная схема расчета показана на рисунке 4.
Новая облегченная конструкция потока для стальных поршней дизельных двигателей.
Шаг 1. Оригинальный стальной поршень (OSP) программного обеспечения UG NX 12.0 взаимодействовал с ANSYS 18.0/Workbench. Стальной поршень был создан в виде сетки и импортирован в модуль Steady-State-Thermal для создания температурной модели стального поршня. Точность имитационной модели температуры стального поршня была проверена посредством испытаний, и были получены точные тепловые граничные условия. Критерием валидации является относительная погрешность ≤ 5% между смоделированными и испытанными значениями температуры стального поршня. Этот шаг был завершен в разделах выше.
Шаг 2: На этом этапе для дальнейших исследований и анализа использовалась высокоточная модель температурного моделирования. На этом этапе основное внимание уделяется облегчению конструкции стальной головки поршня. В частности, конструкция стального поршня с большой конструкцией охлаждающей галереи была сконструирована путем смещения поперечного сечения галереи наружу. Для каждой модели стального поршня большой галереи были построены модель температурного моделирования и модель теплового напряжения в модулях «Установившееся тепловое состояние» и «Статическая структурная модель» соответственно. Дополнительно в модуле Static Structural была построена имитационная модель термомеханической муфты на основе полученного максимального давления газа в цилиндрах. Прочность стальных поршней с расширенными каналами была калибрована путем объединения напряжений стальных поршней. Наконец, был получен самый большой объём галереи.
Шаг 3: На этом этапе для дальнейших исследований и анализа использовался больший объем галереи. На этом этапе основное внимание уделяется облегчению конструкции стального окна поршня. В частности, в модуле оптимизации топологии Workbench была создана имитационная модель оптимизации топологии стального поршня путем определения пространства проектирования, переменных проектирования и целевых функций для оптимизации топологии. Модель решалась итеративно и была получена оптимизированная структура. Геометрию, оптимизированную по топологии, следует экспортировать в программное обеспечение UG NX 12.0 для геометрической реконструкции. Затем были созданы температурная имитационная модель, имитационная модель термической деформации и имитационная модель термомеханической связи для геометрически реконструированной модели. Кроме того, общая прочность стального поршня была калибрована в сочетании с напряжениями термомеханического сцепления. На этой основе были проверены термические и термомеханические сопряженные деформации юбки. Минимальная масса оконной области была получена при удовлетворении вышеуказанных требований. На этом этапе был получен легкий стальной поршень (LSP), и проектирование было завершено.
Метод проектирования
Предлагаемый новый метод облегченного проектирования в основном направлен на уменьшение легкости головки и окна и показан на рисунке 5. Конкретная область проектирования показана на рисунке 5a. Подробности описаны ниже
- (1)
Головной регион
Рельеф в этой области достигается прогрессивным поперечным методом. Новая большая галерея поперечного сечения создается путем определения кривой смещения наружу на основе исходной формы. Проектный предел определяется пределом стального поршня. Минимальная толщина стенки головной части не должна быть менее 1 мм. В процессе оптимизации смещение каждый раз корректируется на 0,10 мм, чтобы постепенно приближаться к целевому значению. Преимущество этого метода в том, что процесс прост и быстр и подходит для оптимизации размера после определения базовой структуры или конфигурации.
Рисунок 5 
Специальные методы проектирования стальной головки поршня и окон.
- (2)
Область окна
Метод оптимизации топологии направлен на поиск оптимального расположения материалов и путей передачи усилия в заранее определенной области с высокой свободой проектирования.38. Среди них метод переменной плотности широко используется в практических инженерных приложениях.39. Поэтому в этой статье для изменения дизайна области окна был использован метод переменной плотности. Предполагается, что нелинейная связь между плотностью и свойствами материала представлена в уравнении. (1).
$$\left\{ \begin{aligned}& E = \eta^{a} E{}_{0} \\& \nu = \nu_{0} \end{aligned} \right.$$
(1)
Или Э – модуль Юнга материала, Па; н – коэффициент Пуассона; Или – плотность материала, кг·м−3; α является константой и > 1. Индекс 0 представляет свойства фактически используемого материала.
Математическая модель метода переменной плотности представлена в уравнении. (2).
$$\left\{ {\begin{array}{*{20}l} {solve \, \eta = \left( {\eta_{1} , \, \eta_{2} , \, \eta_{3 } , \, \ldots , \, \eta_{n} } \right)^{T} } \hfill \\ {Min \,\, Compliance = \sum\limits_{i = 1}^{n} {\int_{\Omega } {f_{i} u_{i} d\Omega } + \sum\limits_{i = 1}^{3} {\int_{\Gamma } {t_{ i} u_{i} d\Gamma } } } } \hfill \\ {st\, Weight = \sum {\nu_{i} \eta_{i} \le M_{0} — M^{*} } } \hfill \\ {\quad \quad \varepsilon \le \eta_{i} \le 1 \, \left( {i = 1, \, 2, \, \ldots } \right ) } \hfill \\ {\quad \quad \eta_{i} = 1 \, \left( {i = J_{1} , \, J_{2} , \, \ldots , \, J_{k} } \right)} \hfill \\ \end{array} } \right.$$
(2)
Или Илия – относительная плотность элемента, кг·м−3. Детали с относительной плотностью, равной или близкой к 1, необходимо сохранить, а детали, близкие к 0, необходимо удалить. жя – объемная сила, Н·м−3; тя – поверхностная сила, Н·м−2. Мистер.0 — верхний предел для заданной начальной массы конструкционного материала. Мистер.* — масса удаленного материала, указанная для оптимизации. е – нижняя предельная плотность. \(J_{1} , \, J_{2} , \ldots , \, J_{k}\) — количество элементов при постоянной единичной плотности после оптимизации.
Как показано на рисунке, существует разница в выборе четырех областей, оптимизированных для окна, чтобы сохранить структуру входа и выхода охлаждающего масла. Термические нагрузки не учитывались в процессе оптимизации, поскольку термические напряжения составляют лишь небольшую часть общего напряжения в расчетной области.31. Имитационная модель оптимизации топологии была загружена давлением газа в цилиндрах, показанным на рисунке 2 выше. Точность сходимости анализа была установлена на уровне 0,1%. Топологическая оптимизация проводится с учетом минимальной жесткости стального поршня при механической нагрузке в качестве ограничения с целью достижения наименьшей массы.
Объем ЛСП, полученный в результате оптимизации, составляет 114 601,3122 мм.3что снизило массу на 8,86% по сравнению со 125 742,1482 мм.3 ОСП. Галерея ЛСП получается смещением сечения галереи ОСП на 0,4 мм наружу. Объем галереи в головном районе ЛСП увеличился с 44 162,5541 мм.3 в ОСП на 49 148,2408 мм3 с соответствующим снижением массы на 11,29%. Оптимизационная структура области окна LSP представлена на рис. 5б. Объем оконной области ЛСП увеличен с 14 770,2121 мм.3 от ОСП до 8585,2136 мм3с соответствующим снижением массы на 41,87%.
.jpg)
