مقاله تحلیل تنش حرارتی -مکانیکی پیستون یک موتور دیزل

word قابل ویرایش
23 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

حرارتی -مکانیکی پیستون یک موتور دیزل

چکیده
یکی از قطعات مهم و بحرانی موتور دیزل ، پیستون می باشد که تحت بارگذاری های هم زمان حرارتی و مکانیکی قرار دارد. به منظور طراحی و محاسبه عمر خستگی پیستون باید توزیع تنش -کرنش در تمام نقاط آن در دسترس باشد. بدست آوردن پاسخ تنش و کرنش در این نوع قطعات که تحت بارگذاری چند محوری مکانیکی و حرارتی قرار دارند، از طریق روش های آزمایشگاهی اغلب دشوار است . بنابراین استفاده از شبیه سازی توسط نرم افزارهای المان محدود برای تعیین پاسخ تنش و کرنش در این گونه قطعات لازم می باشد.
در این مطالعه به تحلیل تنش حرارتی و مکانیکی پیستون یک موتور دیزل از جنس آلیاژ AlSi12 توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS پرداخته شده است . از مدل المان محدود مجموعه پیستون و محور آن در تحلیل سازه ای پیستون استفاده شده است و تماس بین آنها لحاظ شده است . توزیع دمای مجموعه پیستون ، فشار گازهای داخل محفظه احتراق ، توزیع نیروی جانبی و شتاب خطی پیستون در تحلیل سازه ای پیستون لحاظ شده است . به منظور بدست آوردن چرخه تنش -کرنش ، تحلیل سازه ای پیستون در چندین گام بارگذاری انجام شده است و ماده پیستون به صورت الاستو-پلاستیک (بر حسب دما) در نظر گرفته شده است . چرخه تنش -کرنش در اثر بارگذاری های اعمالی به پیستون در شرایط عملکردی آن به طور دقیق محاسبه شده است و نواحی بحرانی از دیدگاه حداکثر مقدار تنش های اعمالی به پیستون مشخص شده است . همچنین ، تغییرشکل پیستون در اثر توزیع تنش های اعمالی به آن محاسبه شده است .

کلمات کلیدی : پیستون ، تحلیل تنش حرارتی -مکانیکی ، المان محدود، موتور دیزل

مقدمه
امروزه قطعات موتور دیزل به علت نیازمندی های مربوط به وزن کم ، توان خروجی بالا و آلایندگی کم ، تحت بارهای مکانیکی و حرارتی شدیدی قرار دارند. پیستون به عنوان یکی از قطعات اصلی موتور دیزل باید طوری طراحی شود که قادر به تحمل حرارت و فشار بالای حاصل از احتراق باشد. به علاوه برای کاهش زمان ، هزینه طراحی و انجام تست های کمتر باید از ابزارهای مناسب شبیه سازی در تحلیل ها استفاده نمود.
روش المان محدود امروزه به عنوان یک ابزار قدرتمند در طراحی ها استفاده می شود. با استفاده از این ابزار در پیش بینی دما و تنش در یک قطعه می توان نواحی بحرانی آن را تعیین کرد و پارامترهای هندسی را مورد مطالعه و بهبود قرار داد. در نتیجه ، بدست آوردن پاسخ دقیق تنش و کرنش پیستون از طریق شبیه سازی المان محدود در مراحل طراحی موتور و نیز در تحلیل خرابی های آن امری ضروری است [١]. تحلیل حرارتی پیستون از جنبه های مختلفی دارای اهمیت است . به عنوان مثال بیشترین دما در هر نقطه از پیستون نباید از ۶۶ درصد نقطه ذوب ماده پیستون تجاوز کند[٢]. لی ١ [٣] از روش المان محدود برای تحلیل رفتار حرارتی پیستون استفاده کرده است . به علت تقارن او فقط یک چهارم پیستون را مدل کرده و شرایط مرزی حرارتی را به صورت متقارن اعمال کرده است . وی برای شرایط مرزی احتراق یک مدل ساده در نظر گرفته است . عباس ٢ و همکارانش [۴] یک تحلیل المان محدود سه بعدی برای توصیف رفتار حرارتی مکانیکی پیستون موتور دیزل انجام داده اند. لیو٣ و ریتز۴ [۵ و۶] یک مدل دو بعدی (متقارن محوری ) برای هدایت حرارتی گذرا برای پیش – بینی دمای دیواره ی محفظه احتراق ارائه کردند.
در این مطالعه به تحلیل تنش حرارتی و مکانیکی پیستون یک موتور دیزل از جنس آلیاژ AlSi12 توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS پرداخته شده است . برای انجام تحلیل حرارتی -مکانیکی ، در ابتدا پیستون به صورت سه بعدی مدل شده است و سپس با اعمال شرایط مرزی حرارتی که شامل ضرایب انتقال حرارت در تمام سطوح خارجی و دمای گاز و دمای روغن خنک کاری می باشد، تحلیل حرارتی انجام شده و توزیع دما در تمام نقاط پیستون بدست آمده است . در گام بعدی توزیع دمای حاصل از تحلیل حرارتی به همراه بارگذاری های سازه ای که عبارتند از فشار گازهای داخل محفظه احتراق ، نیروی جانبی پیستون و شتاب خطی پیستون در تحلیل سازه ای پیستون لحاظ شده اند. تماس بین پیستون و محور آن از نوع تماس اصطکاکی در نظر گرفته شده است . از مدل مادی سخت شوندگی جنبشی چند خطی برای شبیه سازی رفتار الاستیک -پلاستیک ماده استفاده شده است . با استفاده از نتایج تحلیل تنش حرارتی -مکانیکی ، نواحی بحرانی در پیستون مشخص شده است .
ماده پیستون
آلیاژهای آلومینیم سیلیسیم AlSi (عمدتا یوتکتیک )، به طور گسترده به عنوان ماده سازنده پیستون ها مورد استفاده قرار می گیرند (شکل ١). رسانایی گرمایی بالا، چگالی کم ، قابلیت ریخته گری ، کارپذیری و ماشین کاری خوب و استحکام دمایی بسیار زیاد از جمله خواص این آلیاژهای سبک می باشد.
بهبودهایی که در ترکیب سازنده این آلیاژها صورت گرفته ، مخصوصا افزایش محتوی مس ، باعث افزایش استحکام خستگی آن ها در محدوده دمایی بالاتر از ٢۵٠ درجه سانتیگراد شده است ولی دشواری های ریخته گری نیز با این کار افزایش یافته است . آلیاژهای AlSi برای قطعات فورج و ریخته گری استفاده می شوند. مقاومت به سایش این آلیاژها با افزاش دما کاهش می یابد [٧].

در این مطالعه ماده پیستون از جنس آلیاژ ریخته گری AlSiCuMgNi١٢ با ساختار یوتکتیک می باشد که ریزساختار آن در شکل ١ نشان داده شده است . از آنجا که قطعات در نزدیکی محفظه احتراق دماهای بالا و تغییرات دمایی شدیدی را تجربه می کنند، خواص حرارتی و مکانیکی ماده پیستون به صورت وابسته به دما تعریف شده است و در تمام مراحل این مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است . برخی از این خواص وابسته به دما در جدول ١ نشان داده شده اند. شکل ٢ منحنی تغییرات مدول الاستیک و رسانایی حرارتی
AlSiCuMgNi١٢ را بر حسب دما نشان می دهد.

تحلیل اجزای محدود پیستون
برای انجام تحلیل های حرارتی و مکانیکی ، مجموعه پیستون و محور آن به صورت سه بعدی مدلسازی شده است . چون هندسه و بارگذاری در پیستون دارای تقارن است ، برای کاهش زمان حل از یک چهارم مدل مجموعه پیستون در تحلیل ها استفاده شده است که در شکل ٣ نشان داده شده است .
تحلیل تنش -کرنش حرارتی -مکانیکی توسط روش المان محدود برای مدل سه بعدی پیستون به دو مرحله حرارتی و مکانیکی تقسیم می شود. به این صورت که ابتدا توزیع دما از تحلیل حرارتی بدست می آید و این توزیع دما به عنوان بارگذاری دمایی در تحلیل سازه ای مورد استفاده قرار می گیرد.

تحلیل حرارتی
تنش های حرارتی در پیستون ، منجر به خستگی کم چرخه و همچنین ایجاد تنش های میانگین در خستگی پر چرخه پیستون می شوند. بنابراین بارگذاری حرارتی در پیستون از اهمیت زیادی برخوردار است . هر چه توزیع دما در پیستون دقیق تر باشد، تنش های حرارتی حاصل از آن در نقاط مختلف پیستون دقیق تر خواهد بود. بنابراین ، بارگذاری حرارتی پیستون تا حد امکان باید نزدیک به واقعیت باشد. بارگذاری –
های حرارتی پیستون عمدتا عبارتند از:
١- انتقال حرارت گازهای حاصل از احتراق با تاج پیستون
٢- انتقال حرارت روغن خنک کننده در مجرای خنک کاری پیستون
٣- انتقال حرارت در اثر تماس با رینگ روغن و رینگ های فشاری
۴- انتقال حرارت در اثر تماس پیستون با محور آن
۵- انتقال حرارت در دامن پیستون

ضرایب انتقال حرارت و دمای سیال در نواحی مختلف پیستون از منابع و مراجع مختلف [٨,٩,١٠] بدست آمده است و به عنوان شرایط مرزی حرارتی بر مدل المان محدود اعمال شده است . دمای متوسط و ضریب انتقال حرارت متوسط گازهای داخل محفظه احتراق از تحلیل یک بعدی ترمودینامیکی چرخه موتور در نرم افزار Gt-Power بدست آمده است . توزیع ضریب انتقال حرارت جابه جایی در سطح تاج پیستون که در تماس با گازهای داغ است مطابق شکل ۴ می باشد. همانطور که در شکل مشاهده می شود ضریب انتقال حرارت بر حسب موقعیت شعاعی پیستون تغییر می کند. برخی از شرایط مرزی حرارتی اعمال شده بر پیستون که عبارتند از ضریب انتقال حرارت و دمای سیال در سطوح مختلف پیستون ، در شکل ۵
نشان داده شده است .

در تحلیل اجزاء محدود مجموعه پیستون ، تماس اصطکاکی بین پیستون و محور لحاظ شده است . شبکه بندی مجموعه پیستون در شکل ۶ نمایش داده شده است . چون در این مطالعه هدف بررسی پیستون است ، شبکه بندی بکار رفته برای پیستون از شبکه بندی محور آن ریزتر در نظر گرفته شده است . همچنین در مناطقی از پیستون که تمرکز تنش هندسی یا گرادیان دمایی بیشتری وجود داشته است برای دست یابی به جواب های دقیق تر شبکه بندی ریزتر گردیده است .
تنش حرارتی در یک قطعه مقید به صورت ساده با رابطه زیر محاسبه می گردد

مدول الاستیسیته و ضریب انبساط حرارتی به صورت تابعی از دما می باشند. در صورتی که حاصل ضرب این دو کمیت با تغییرات دما و نیز تغییرات شرایط مرزی به صورت خطی باشد، می توان از تحلیل پایدار حرارتی برای بدست آوردن حداکثر مقدار تنش حرارتی ایجاد شده در سازه استفاده نمود

و نیازی به انجام تحلیل گذرای حرارتی و تحلیل گذرای تنش حرارتی -مکانیکی نمی باشد. در موتورهای دیزل عمدتا بارگذاری حرارتی به صورت پیوسته و تقریبا خطی با زمان افزایش می یابد تا این که موتور به شرایط پایدار حرارتی در دور موتور و توان خروجی مورد نظر می رسد. با توجه به مطالب فوق ، در این مطالعه از تحلیل پایدار حرارتی برای بدست آوردن توزیع دما استفاده شده است .
در شکل ٧ توزیع دما در مجموعه پیستون نشان داده شده است . نتایج حاکی از آن است که دمای بیشینه پیستون در ناحیه تاج پیستون که در تماس با گازهای داغ احتراق است رخ می دهد. بیشترین دمایی که پیستون آن را تجربه می کند
٣٧۴ درجه سانتیگراد می باشد. به دلیل خنک کاری تاج پیستون توسط مجاری روغن داخل پیستون ، گرادیان دمایی قابل توجهی بین تاج پیستون و مجرای روغن وجود دارد. به عبارت دیگر، مجرای روغن سبب کنترل و کاهش دمای تاج پیستون می شود.

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 23 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد