МЕХАНИЧНА ИНЖЕНЕРИЯ | НАУЧНА СТАТИЯ

  • Пълен член
  • Цифри и данни
  • Препратки
  • Цитати
  • Метрика
  • Лицензиране
  • Препечатки и разрешения
  • PDF

Резюме

1. Въведение

Jet dragster е мощна състезателна кола, задвижвана от реактивен двигател. Използва се предимно за поставяне на рекорди на сухопътна скорост и в състезания по плъзгане. Зеленото чудовище, задвижвано от реактивен двигател General Electric J79, беше първото моторно състезателно превозно средство с джет. Той постигна своя четириколесен дизайн с 22 фута дълго тяло през 60-те години и успя да достигне максимална скорост от 285 км/ч. С напредъка в науката и технологиите, драгстерите днес могат да достигнат максимална скорост от 350 mph в състезание с дължина четвърт миля. С преконфигурирани самолетни двигатели за състезателни приложения, реактивен драгстер може надеждно да произведе 22 kN (5000 lbf) тяга на допълнително изгаряне и да се движи с приблизително 300 mph в рамките на 6 s, консумирайки до 5,7 l гориво всяка секунда.

статия

Намаляването на масата на превозното средство е непрекъснато търсене във високопроизводителните автомобилни и космически приложения. Намаляването на теглото на автомобила, като същевременно се поддържа адекватна производителност и безопасност, представлява интерес за приложенията на състезателните автомобили, а състезанията по състезания по състезания на Националната Hot Rod асоциация (NHRA) не са изключение. В автомобилните приложения намаляването на теглото може да подобри производителността на автомобила, като намали съпротивлението при търкаляне и енергията, необходима за ускорение, като по този начин подобри горивната ефективност (2012). Както ускорението на автомобила, така и безопасността са критични фактори за лекия и структурно здрав дизайн на автомобила.

2. Преглед на литературата

Vinchurkar & Khanwalkar (2016) проведоха своите изследвания в Анализ на крайни елементи (FEA) и Топология Оптимизация на скоба за монтиране на двигател на пътно превозно средство с цел оптимизация за намаляване на теглото. Оптимизираната монтажна конструкция трябва да има подходяща твърдост, за да се избегнат прекомерни вибрации и шум. Изчислява се натоварването на двигателя, действащо върху всяка от монтажните конструкции и с тези гранични условия се извършва анализ на якостта и напрежението, за да се идентифицират поведенческите характеристики на конструкцията и да се провери дали резултатите са в приемлив диапазон. Конструкцията е била твърдо фиксирана в долната част на опората и е приложена сила в горната част на стойката със сила 1500 N. След като са приложени гранични условия и силови натоварвания, за да се получи базов резултат от FEA, топологията на монтирането е оптимизирано, което води до подходящо намаляване на масата. Установено е, че оптимизираното монтиране има по-високи стойности на напрежение (в сравнение с оригиналната структура), но все още е в приемливия диапазон.

Бенауали и др. (2016) в своето проучване за оптимизация на дизайна на много лека опора на самолетен двигател, първо идентифицира различните видове условия на натоварване (или случаи на натоварване), които системата изпитва. Натоварванията бяха приложени в центъра на тежестта на конструкцията и местата за монтиране бяха твърдо фиксирани. Структурата трябваше да има подходяща здравина и твърдост, за да устои на различни случаи на натоварване, като същевременно се постига минимална маса. Изчислени са вибрационните честоти на двигателя, съответстващи на неговите максимални и номинални скорости на въртене и са идентифицирани естествените честоти на оптималната конструктивна структура, за да се гарантира, че системата е в безопасност от резонанс.

Pan et al. (2007) извършиха структурна оптимизация на скобата на двигателя и в тяхното проучване внедриха два вида методи за структурна оптимизация, топология и оптимизация на формата: последният обикновено се прилага за оптимизирана топология за по-нататъшно намаляване на масата. Методологията включваше определяне на първоначалното дизайнерско пространство в модел на FE като основна стъпка и гарантираше, че определеното дизайнерско пространство не пречи на други части. Оптимизираният дизайн допълнително оптимизира формата. Един от основните проблеми при оптимизацията на топологията е технологичността на оптимизирания модел. По този начин към оптимизацията на топологията се прилагат нови ограничения на посоката на изтегляне. Полученият оптимизиран дизайн трябва да бъде подходящо променен, като се вземат предвид технологичността и други ограничения.

Patil & Naghate (2012) в своето изследване на модалния анализ на скобата за монтиране на двигателя се опитват да намалят теглото на компонента на скобата, като по този начин допринасят за цялостното намаляване на теглото на автомобила. С проучвания, показващи, че скобите могат да спестят до 38% от теглото, бяха извършени структурна и материална оптимизация на скобите за закрепване на двигателя. Установено е, че магнезият е по-добър вариант за материала на скобата и модалният анализ показва, че честотите за магнезиевата скоба са по-ниски от тези за алуминиевата скоба. С ревизирания дизайн, който има естествена честота, по-ниска от честотата на възбуждане на скобата на двигателя, дизайнът се счита за безопасен.

Лукас и сътр. (2006), оптимизира топологията на манивела на звънец, използвана в състезателен автомобил за студентски състезания Formula SAE през 2006 г. Новата манивела на звънец за 2006 г. беше сравнена с тази, използвана в състезанието през 2005 г. Софтуерът за оптимизация на топологията Altair OptiStruct е използван, за да се намали теглото от модела на манивела от 2006 г., като същевременно се запази границата на провлачване. Като се имат предвид резултатите, те имат 24,3% намаление на масата от модела от 2005 г. Звънчевата манивела за 2006 г. имаше маса от 140 g и получи увеличение на добива с 30% (15,9 kN товароносимост). Резултатите също така демонстрират, че намаляването на теглото помага за ефективността на автомобила. Крайното тегло на техния автомобил през 2006 г. беше 223 кг (моделът от 2005 г. беше 246 кг) и завърши на трето място в състезанието. Времето им, записано в състезанието за ускорение от 75 м, беше 4.137 сек. Това е драстично подобрение на модела на автомобила, който са имали през 2005 г., който е изминал време от 4.634 s.

Kala & Kiran (2015) извършиха модален анализ, използвайки ANSYS, за да намерят естествените честоти при различни режими. Обратното инженерство беше осъществено чрез физическо получаване на измервания на скоба за окачване на двигател V6 за шина. С дадените измервания е генериран CAD модел в CREO. Резултатите от модалния анализ показаха, че използването на компютърно подпомогнати инженерни програми може да помогне за опростена визуализация на анализа. Това помага за откриването на ранни проблеми, като се има предвид дизайна и помага да се определи какъв ще бъде резултатът от модела. Това означава прилагане на повече симулационни техники и намаляване на физически прототипи, за да се постигне същата цел.

Benur & Akshatha (2015) внедриха 2-стъпков процес на оптимизиране, базиран на крайни елементи, за да намалят теглото, като същевременно удовлетворяват параметрите на якостта на типична алуминиева скоба за самолетен двигател. Първата стъпка е да се търси оптимално разпределение на материала, последвана от втората стъпка, която включва използване на крайни елементи за оразмеряване и оптимизиране на формата, за да се задоволят параметрите, основани на якостта. Като се имат предвид резултатите, това проучване демонстрира, че е имало общо 20,17% намаляване на теглото, използвайки тази 2-стъпкова FE техника за оптимизиране на основата за алуминиевата скоба. Тази нова скоба не само тежи по-малко, което е изключително важно в космическата индустрия, но и поддържа желаните параметри на якост.

3. CAD моделиране и анализ на крайни елементи

Методът на крайните елементи (МКЕ) е метод за числено сближаване, при който сложната структура е разделена на няколко малки части, наречени крайни елементи. Оптимизацията на топологията е полезна функция в инструментите за МКЕ, позволяваща на инженера да идентифицира части в сглобка, които са свръхпроектирани или ненужни за изпълнение на структурните изисквания. Оптимизацията на топологията идентифицира региони на конструкция, където плътността на материала може да бъде сведена до минимум, като по този начин предоставя възможност за оптимизирани проекти. Използваният тук инструмент за FEM е ANSYS Workbench 19.0. Оптимизацията на топологията позволява да се определи къде се намират опорите и натоварванията върху обем материал, областта за оптимизация и ограниченията, за да се отговори на желаните изисквания.

Настоящият/съществуващ монтажен мотор е моделиран с помощта на инструмента на Siemens SolidEdge CAD. Сглобката за монтиране е показана на фигура 1 (a, b). Проектираният модел беше експортиран в ANSYS за извършване на структурен анализ. Монтажът на двигателя е направен от алуминий 6061-T6511H и свойствата на материала могат да бъдат намерени в (Sapa Extrusion North America, 2017).