Поверхностные слои элементов шатуна дизель­ного двигателя являются особо ответственными, так как в большинстве случаев усталостное раз­рушение от динамического приложения нагрузок располагается именно в этих поверхностных сло­ях.

Однако из-за сложной геометрической формы и условий нагружения элементов шатуна применение аналитических методов исследования становится затруднительным, ввиду того, что при их исполь­зовании нельзя учесть реальную геометрическую форму деталей, местные деформации отдельных конструктивных элементов. Аналитические реше­ния для деталей сложной формы имеют значитель­ную погрешность и требуют коррекции с помощью эмпирических коэффициентов, которые, в свою оче­редь применимы для ограниченного набора кон­струкций, аналогичных тем, для которых имеются экспериментальные данные.

Все это создает предпосылки для использования метода конечных элементов (МКЭ), позволяющего решать задачи теории упругости применительно к телам сложных геометрических форм. При этом рас­считываемая конструкция представляется в виде совокупности простых геометрических объектов — конечных элементов (КЭ), для каждого из которых заранее определен вид функциональной зависимо­сти распределения перемещений в этом элементе от перемещений в его узлах. Последние обеспечива­ют соединение элементов между собой, а их переме­щения определяют напряженно-деформированное состояние конструкции.

Вместе с тем, конкретные рекомендации по эф­фективному использованию методик на базе МКЭ в технической литературе отсутствуют. Кроме этого, на современном этапе нет математического пути решения сходимости по МКЭ, а используемое шаго­вое увеличение числа КЭ приводит к тому, что ре­шение по МКЭ сходится при бесконечном увеличе­нии числа КЭ. Указанные обстоятельства требуют детального изучения вопросов применения МКЭ в расчетах напряженного состояния высоконагру- женных деталей транспортных дизелей, среди ко­торых поршневая и кривошипная головки шатуна являются одними из наиболее нагруженных и труд­нодоступных для исследования элементов.

Существующие методы расчета элементов шату­нов форсированных дизелей на усталостную проч­ность являются условными и приближенными. В этой связи наиболее полно учесть особенности полей напряженно-деформированного состояния элементов шатуна, носящих трехмерный, про­странственный характер, позволяют исследования на основе пространственных задач теории упру­гости с использованием МКЭ. При этом в трехмер­ном пространстве аналогом КЭ является тетраэдр. Очевидно, что для получения заданной степени точности количества тетраэдральных элементов должно быть очень большим. Это приводит к боль­шому числу уравнений, что несколько ограничива­ет применение метода. Кроме того, ширина ленты матрицы основной системы уравнений становится большой и в результате увеличивается необходи­мый объем памяти вычислительной машины.

Особенности применения МКЭ при расчете на­пряженно — деформированного состояния элемен­тов шатуна дизельного двигателя состоят в следу­ющем:

— напряженно — деформированное состояние эле­ментов шатуна является существенно трехмерным, так как все шесть компонентов тензора напряжений имеют весомые значения в различных точках;

— векторы перемещения узловых точек и узло­вых усилий, а также компоненты деформаций, пе­ремещений и напряжений в высоконагруженных деталях в общем случае определяются в матричной форме;

— математический метод исследования механи­ческих напряжений МКЭ в своих основных частях может быть применен для исследования темпера­турной деформативности в других тепло и механи­чески напряженных деталей форсированных дизе­лей.