Моделирование напряженно-деформированного состояния поршня дизеля с учетом неупругих деформаций

Разрушение алюминиевых поршней дизельных двигателей часто связано с образованием трещин, зарождающихся на кромке камеры сгорания. Появление этих трещин является следствием термической усталости материала из-за низкочастотных циклов нагрева–охлаждения поршня при пуске двигателя, его работе при различных скоростных и нагрузочных режимах и последующем останове. Для оценки долговечности кромки необходимо воспроизводить неизотермическое упругопластическое деформирование сплава, используя модели пластичности и ползучести материала, доступные в пакетах конечно-элементного анализа, таких как ANSYS. Представлены результаты испытаний на одноосное растяжение и ползучесть пропорциональных образцов, изготовленных из заготовок поршней V-образных дизельных двигателей ЯМЗ-658. Материал поршней — силуминовый сплав АК12ММгН. Изложена методика определения констант в моделях пластичности и ползучести. Приведены результаты численного моделирования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния поршня для цикла пуск — номинальный режим — останов. Сделаны выводы о наличии пластических деформаций и деформаций ползучести на кромке поршня.

Литература

[1] KS Mono-Block Steel Pistons for Commercial Truck Applications. URL: https://www.rheinmetall-automotive.com (дата обращения 25 ноября 2019).

[2] Baberg A., Freidhager M., Mergler H., Schmidt K. Aspects of Piston Material Choice for Diesel Engines. MTZ worldwide, 2012, vol. 73, pp. 26–30, doi: https://doi.org/10.1007/s38313-012-0249-8

[3] Kenningley S., Morgenstern R. Thermal and Mechanical Loading in the Combustion Bowl Region of Light Vehicle Diesel AlSiCuNiMg Pistons; Reviewed with Emphasis on Advanced Finite Element Analysis and Instrumented Engine Testing Techniques. SAE International, 2012, no. 2012–01–1330, pp. 1–14, doi: 10.4271/2012-01-1330

[4] Reichstein S., Konrad P., Kenningley S., D?rnenburg F.T.H. Microstructure Modification Piston Materials for High Stress and Temperature Conditions. ATZ Autotechnology, 2008, vol. 8, pp. 42–47.

[5] Thomas J.J., Verger L., Bignonnet A., Borret S.M. Thermomecanical Design in the Automotive Industry. SAE Technical Paper, 2002, no. 2002–01–0659, pp. 1–10, doi: 10.4271/2002-01-0659

[6] Mahle GmbH. Pistons and engine testing. Springer, 2012. 284 p.

[7] Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Москва, Машиностроение, 1975. 398 с.

[8] Mao J., Engler-Pinto C., Su X., Kenningley S. Cyclic Behavior of an Al-Si-Cu Alloy under Thermo-Mechanical Loading. SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 2014, vol. 7, iss. 3, pp. 1–8, doi: 10.4271/2014-01-1012

[9] Armstrong P.J., Frederick C.O. A Mathematical Representation of the Multiaxial Bauschinger Effect. Materials at High Temperatures, 2007, vol. 24, no. 1, pp. 1–26, doi: 10.3184/096034007X207589

[10] Chaboche J.L. Constitutive Equations for Cyclic Plasticity and Cyclic Viscoplasticity. International Journal of Plasticity, 1989, vol. 5, pp. 247–302, doi: 10.1016/0749-6419(89)90015-6

[11] Theory Reference for the Mechanical APDL and Mechanical Applications. Release 12.0. ANSYS Inc., 2009. 1190 p.

[12] Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. Москва, Наука, 1966. 752 с.

[13] Manson S.S., Halford G.R. Fatigue and Durability of Metals at High Temperatures. Materials Park, Ohio, ASM International, 2009. 278 p.

[14] Бондарь В.С., Даншин В.В. Пластичность. Пропорциональные и непропорциональные нагружения. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2008. 176 с.

[15] Чайнов Н.Д., Краснокутский А.Н., Мягков Л.Л., Руссинковский С.Ю. Математическое моделирование полей температур, деформаций и напряжений в деталях цилиндропоршневой группы поршневых двигателей. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 32 с.