بخشی از مقاله
تجزیه و تحلیل تنش و کرنش در بلوک سیلندر خودرو پراید با روش عددی المان محدود
چکیده
در این مقاله تنش و کرنش در «بلوک سیلندر خودرو پراید» تحت اثر فشار و درجه حرارت ناشی از فرآیند احتراق با استفاده از روش المان محدود (FEM) محاسبه شده است. برای این منظور ابتدا بلوک سیلندر با جزئیات کامل شامل ژاکتهای آب، محل یاتاقانها وسایر قسمت های ان مدل سازی شده، مدل ایجاد شده شبکه بندی شده، بارهای مکانیکی و حرارتی اعمال شده، تنش ها و کرنش ها با روش عددی و کد AnSyS محاسبه شده و نتایج حاصله با نتایج قابل دسترسی تجربی و عددی کارهای قبلی مقایسه شده اند. نتایج نشان می دهند بارهای حرارتی بیشترین تغییر شکل را در بلوک سیلندر بوجود میآورند و این تغییر شکل در جهت عرضی بلوک بیشتر از جهت طولی بوده ودر سیلندرها از بالا به پایین کمتر می شود و نیز بیشترین تنش در سیلندر شماره ۳ ایجاد می شود.
واژه های کلیدی: بلوک سیلندر-المان محدود - ژاکتهای آب - تنش-کرنش
مقدمه بلوک سیلندریا بدنه موتور یکی از قسمتهای اصلی موتور است که دربرگیرندهٔ همهٔ سیلندرها، میللنگ، میل بادامک و سایر اجزاء موتور است. طی کارکرد موتور در اثر فرایند احتراق فشار و درجهٔ حرارت بصورت پریودیک ایجاد می شود که باعث ایجاد تنش های مکانیکی و حرارتی بصورت طولی و محیطی در بلوک سیلندر می شود. از آنجایی که بلوک سیلندر تحت اثر تنش های مکانیکی و حرارتی فوق الذکر تغییر شکل پیدا می کند و این تغییر شکل در کارکرد موتور نقش بسزائی دارد بنابرین، تجزیه و تحلیل تنش و کرنش در بلوک سیلندر موتور تحت تاثیر فشار و درجه حرارت ناشی از فرایند احتراق بسیار ضروری به نظر می رسد. در میان تحقیقات انجام گرفته در این زمینهKOch FranZاو همکارانش در مقاله ای تحت عنوان «انداره گیری و محاسبهٔ تغییر شکل بوش سیلندر» نتایج اندازه گیری تغییرشکلی بوش سیلندر به روش تجربی و عددی را باهم مقایسه کرده اند. در محاسبات عددی از روش FEM برای محاسبهٔ تغییر شکل بوش استفاده شده است. پس از اعمال شرایط مرزی ناشی از فشار و درجه حرارت احتراق و نیز اثرات آنها در سایر قسمتهای بلوک مانند یاتاقانها، سطح فوقانی بلوک که با سرسیلندر در تماس است، سطوح در عرضی بلوک بیشتر از مقدار آن در جهت طولی بوده و از بالا به پایین کمتر می شود. از طرفی تغییر شکل در سیلندرهای کناری AAUL. s[y] Makoto Suzuki Shizuo Abe در مقاله ای با عنوان «تجزیه و تحلیل تغییر شکل بوش سیلندر طی کارکرد موتور» علاوه بر در نظر داشتن اثرات فرآیند احتراق، اثر اصطکاک بین سرسیلندر و بلوک را نیز در نظر گرفته اند. در این مقاله روش عددی المان محدود و کد ABAQUS برای تجزیه و تحلیل مسئله به کار گرفته شده است. در سال ۱۹۹۶ در مقالهٔ دیگری با عنوان «تحلیل رفتار بوشی خشک طی کار موتور» KaZunOri MiZutani|[۳] و همکارانش اثر ضربه پیستون، فشار احتراق و تنش اولیه را در رفتار بوش سیلندر مورد تجزیه و تحلیل قرار داده اند. در این مقاله تنش در سطح داخلی سیلندرها را ناشی از پیچ های سرسیلندرو نیروی ناشی از فشار گاز به طور جداگانه بررسی کرده اند به طوریکه ابتدا به روش تجربی نتایج را بدست آورده و سپس آنها را با نتایج بدست آمده از روش المان محدود مقایسه کرده اند و نتایج بیانگر آن است که فشار و درجهٔ حرارت هر کدام نقش جداگانه ای در تغییر شکل سیلندرها دارند. از طرفی بیشترین تغییر شکل بوش ناشی از درجهٔ حرارت است. در مقالهٔ حاضر ابتدا شرایط مرزی مکانیکی و حرارتی مشخص شده و پس از اعمال بارهای مکانیکی، حرارتی و مکانیکی - حرارتی بترتیب تنش ها و کرنش های مکانیکی، حرارتی و مکانیکی - حرارتی محاسبه شده و باهم مقایسه شده اند.
مدل سازی بلوک سیلندر مدل سازی بلوک سیلندر از روی نقشه های سه نمای آن بادقت کامل و با در نظر گرفتن ژاکتهای آب، محل یاتاقانها و سایر قسمتهای بلوک در محیط نرم افزاری AnSyS صورت گرفته است. شکل های (۱ - الف) و (۱ - ب) نمونهٔ کامل و برش خورده مدل مورد نظر را نشان می دهند.
شرایط مرزی
شرایط مرزی مکانیکی ۴] و [۵] اعمال فشار حداکثر احتراق به جداره های داخلی سیلندرها و در نظر گرفتن اثرات ناشی از آن در سایر قسمتهای بلوک نظیر سطوح در حال تماس با سر سیلندر، محل اتصال پیچهای سرسیلندر به بلوک و محل یاتاقانهای میللنگ می باشد. شکل (۲) نمودار فشار احتراق بر حسب زاویه دوران میل لنگ در سیلندرها را در حالت بار کامل و دور RPM 4000 نشان می دهد که فشار حداکثر در سیلندرهاMPa 4 می باشد. سرسیلندر موتور پراید توسط ۱۰ عدد پیچ روی بلوک محکم می شود. با انجام محاسبات مربوطه و در نظر گرفتن ضرایب مختلف مقدار فشار مابین سرسیلندرو بلوکMPa 2.85، مقدار کششی ناشی از پیچ هادر محل بلوکMPa 150 و مقدار کششی در یاتاقانهای میل لنگMPa 10 محاسبه شد.
شرایط مرزی حرارتی [۷] در حالت پایدار (حالتی که در آن دمای سطوح کاملاً تثبیت شده است) عبارتند از:
• دمای جداره های داخلی سیلندرها(شکل های ۳- الف و ۳- ب)
. • بارگذاری انتقال حرارت جابجایی با دمای c 82 و ضریب به 14000 برای آب خنک کن.
• بارگذاری انتقال حرارت جابجایی با دمای C 80 و ضریب 600برای روغن. C
• دمای 75 در سطح فوقانی بلوک که در تماس با سرسیلندر می باشد.
تنش ها و کرنش های مکانیکی مدل المان محدود بلوک سیلندر (شکل ۴) جهت انجام تحلیل FEM با تعداد ۹۵۶۷۱ گره و ۵۴۸۹۵ المان Solid از نوع سازهای در نرم افزار AnSyS تولید شده است. پس از اعمال شرایط مرزی مکانیکی و در نظر داشتن شرایط مرزی تکیه گاهی تحلیل FEM صورت گرفت. با توجه به اینکه سیلندرها بیشتر از سایر قسمتهای بلوک تحت بار بوده و از اهمیت خاصی برخوردارند لذا سعی می شود تنش و کرنش در سیلندرها مورد بررسی قرار گیرد. بدین ترتیب که نمودار تنش ها و کرنش ها در سطوح داخلی سیلندرها بر حسب ارتفاع سیلندرها از بالا به پایین (در جهت y ) و روی خطوطی که در چهار جهت (X) ،(-Z) ،(FZ+) و (X-) قرار دارند رسم می شوند. در دستگاه مختصات مربوط به ارائه نتایج Z جهت طولی، X جهت عرضی و y در جهت ارتفاع بلوک سیلندر می باشد.
شکل (۵) نمودار تنش ون مایزز بر حسب ارتفاع سیلندر شمارهٔ ۱ را در جهت (Z)نشان می دهد. ملاحظه می شود بیشترین تنش در سطوح بالایی که فشار حداکثر به آن سطوح اعمال شده است ایجاد می شود. نمودارهای فوق را می توان برای سایر سیلندرها نیز بدست آورد که شکل (۶) بیشترین مقادیر این نمودارها را در چهار جهت نشان می دهد.
تنشها و کرنش های حرارتی قبل از انجام آنالیز تنش و کرنش حرارتی لازم است آنالیز توزیع دما در بلوک صورت گیرد. برای این منظور ابتدا المان های سازهای در مدل المان محدود شکل (۲) به المان های حرارتی تبدیل می شود. پس از اعمال شرایط مرزی حرارتی توزیع دما در بلوک سیلندر طبق شکل (۷) بدست می آید.
برای بدست اوردن تنش و کرنش حرارتی باید المانهای حرارتی در مدل المان محدود به المانهای سازه ای تبدیل شده و سپس توزیع دمای بدست آمده در شکل (۷) به صورت بارگذاری حجمی روی مدل اعمال شود. با در نظر گرفتن شرایط مرزی تکیه گاهی و حل مسأله در شرایط حالت پایدار نتایج در شکل (۸) آمده است.
تنش ها و کرنش های مکانیکی - حرارتی با توجه به اینکه هدف، بر آورد تنش و کرنش می باشد پس باید مدل المان محدود شکل (۲) که در آن شبکه بندی تحت المانهای سازهای حرارتی می باشد. شکل (۹) نتایج حاصله را پس از اعمال بارهای مکانیکی (انبساط در سیلندر ۱) و حرارتی نشان می دهد. برای حالتی که انبساط در سیلندر ۲ ایجاد شود نتایج در شکل (۱۰) آمده است.
مقایسه نتایج:
در میان تحقیقات انجام گرفته در مورد بلوک سیلندر کمتر مقاله ای یافت شد که در آن کل بلوک مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد و فقط قسمت بوش یا سیلندر بلوک آنهم فقط از لحاظ تغییر شکل مورد بررسی قرار گرفته است. از طرفی بوشهای مورد بررسی اکثر آجدا از بلوک بوده و از نوع خشک و یا ترمی باشند. ولی بلوک سیلندری که Franz Koch او همکارانش روی بوش آن کار کرده اند بسیار شبیه به بلوک سیلندر پراید مورد بررسی در این مقاله بوده و نتایج بدست آمده در تحقیق آنها با نتایج این مقاله قابل مقایسه می باشد. اشکال (۱۱) و (۱۲) مقایسهٔ مقادیر تغییر شکل حاصله به طریق عددی در این مقاله را با نتایج تجربی مقالهٔ فوق الذکر بترتیب در سطوح داخلی سیلندرهای ۳ و ۴ نشان می دهند. ملاحظه می شود روند تغییرات مقادیر عددی بدست آمده با مقادیر تجربی اندازه گیری شده در مقاله مورد بحث تقریباً یکی بوده و علت اختلاف به ابعاد هندسی بلوک، عدم اعمال شرایط مرزی یکسان در سطوح در حال تماس با آب،روغن و هوا مربوط می شود.
