بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حرارتي -مکانيکي پيستون يک موتور ديزل
چکيده
يکي از قطعات مهم و بحراني موتور ديزل ، پيستون مي باشد که تحت بارگذاري هاي هم زمان حرارتي و مکانيکي قرار دارد. به منظور طراحي و محاسبه عمر خستگي پيستون بايد توزيع تنش -کرنش در تمام نقاط آن در دسترس باشد. بدست آوردن پاسخ تنش و کرنش در اين نوع قطعات که تحت بارگذاري چند محوري مکانيکي و حرارتي قرار دارند، از طريق روش هاي آزمايشگاهي اغلب دشوار است . بنابراين استفاده از شبيه سازي توسط نرم افزارهاي المان محدود براي تعيين پاسخ تنش و کرنش در اين گونه قطعات لازم مي باشد.
در اين مطالعه به تحليل تنش حرارتي و مکانيکي پيستون يک موتور ديزل از جنس آلياژ AlSi12 توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS پرداخته شده است . از مدل المان محدود مجموعه پيستون و محور آن در تحليل سازه اي پيستون استفاده شده است و تماس بين آنها لحاظ شده است . توزيع دماي مجموعه پيستون ، فشار گازهاي داخل محفظه احتراق ، توزيع نيروي جانبي و شتاب خطي پيستون در تحليل سازه اي پيستون لحاظ شده است . به منظور بدست آوردن چرخه تنش -کرنش ، تحليل سازه اي پيستون در چندين گام بارگذاري انجام شده است و ماده پيستون به صورت الاستو-پلاستيک (بر حسب دما) در نظر گرفته شده است . چرخه تنش -کرنش در اثر بارگذاري هاي اعمالي به پيستون در شرايط عملکردي آن به طور دقيق محاسبه شده است و نواحي بحراني از ديدگاه حداکثر مقدار تنش هاي اعمالي به پيستون مشخص شده است . همچنين ، تغييرشکل پيستون در اثر توزيع تنش هاي اعمالي به آن محاسبه شده است .
کلمات کليدي : پيستون ، تحليل تنش حرارتي -مکانيکي ، المان محدود، موتور ديزل
مقدمه
امروزه قطعات موتور ديزل به علت نيازمندي هاي مربوط به وزن کم ، توان خروجي بالا و آلايندگي کم ، تحت بارهاي مکانيکي و حرارتي شديدي قرار دارند. پيستون به عنوان يکي از قطعات اصلي موتور ديزل بايد طوري طراحي شود که قادر به تحمل حرارت و فشار بالاي حاصل از احتراق باشد. به علاوه براي کاهش زمان ، هزينه طراحي و انجام تست هاي کمتر بايد از ابزارهاي مناسب شبيه سازي در تحليل ها استفاده نمود.
روش المان محدود امروزه به عنوان يک ابزار قدرتمند در طراحي ها استفاده مي شود. با استفاده از اين ابزار در پيش بيني دما و تنش در يک قطعه مي توان نواحي بحراني آن را تعيين کرد و پارامترهاي هندسي را مورد مطالعه و بهبود قرار داد. در نتيجه ، بدست آوردن پاسخ دقيق تنش و کرنش پيستون از طريق شبيه سازي المان محدود در مراحل طراحي موتور و نيز در تحليل خرابي هاي آن امري ضروري است [١]. تحليل حرارتي پيستون از جنبه هاي مختلفي داراي اهميت است . به عنوان مثال بيشترين دما در هر نقطه از پيستون نبايد از ٦٦ درصد نقطه ذوب ماده پيستون تجاوز کند[٢]. لي ١ [٣] از روش المان محدود براي تحليل رفتار حرارتي پيستون استفاده کرده است . به علت تقارن او فقط يک چهارم پيستون را مدل کرده و شرايط مرزي حرارتي را به صورت متقارن اعمال کرده است . وي براي شرايط مرزي احتراق يک مدل ساده در نظر گرفته است . عباس ٢ و همکارانش [٤] يک تحليل المان محدود سه بعدي براي توصيف رفتار حرارتي مکانيکي پيستون موتور ديزل انجام داده اند. ليو٣ و ريتز٤ [٥ و٦] يک مدل دو بعدي (متقارن محوري ) براي هدايت حرارتي گذرا براي پيش - بيني دماي ديواره ي محفظه احتراق ارائه کردند.
در اين مطالعه به تحليل تنش حرارتي و مکانيکي پيستون يک موتور ديزل از جنس آلياژ AlSi12 توسط نرم افزار اجزاء محدود ANSYS پرداخته شده است . براي انجام تحليل حرارتي -مکانيکي ، در ابتدا پيستون به صورت سه بعدي مدل شده است و سپس با اعمال شرايط مرزي حرارتي که شامل ضرايب انتقال حرارت در تمام سطوح خارجي و دماي گاز و دماي روغن خنک کاري مي باشد، تحليل حرارتي انجام شده و توزيع دما در تمام نقاط پيستون بدست آمده است . در گام بعدي توزيع دماي حاصل از تحليل حرارتي به همراه بارگذاري هاي سازه اي که عبارتند از فشار گازهاي داخل محفظه احتراق ، نيروي جانبي پيستون و شتاب خطي پيستون در تحليل سازه اي پيستون لحاظ شده اند. تماس بين پيستون و محور آن از نوع تماس اصطکاکي در نظر گرفته شده است . از مدل مادي سخت شوندگي جنبشي چند خطي براي شبيه سازي رفتار الاستيک -پلاستيک ماده استفاده شده است . با استفاده از نتايج تحليل تنش حرارتي -مکانيکي ، نواحي بحراني در پيستون مشخص شده است .
ماده پيستون
آلياژهاي آلومينيم سيليسيم AlSi (عمدتا يوتکتيک )، به طور گسترده به عنوان ماده سازنده پيستون ها مورد استفاده قرار مي گيرند (شکل ١). رسانايي گرمايي بالا، چگالي کم ، قابليت ريخته گري ، کارپذيري و ماشين کاري خوب و استحکام دمايي بسيار زياد از جمله خواص اين آلياژهاي سبک مي باشد.
بهبودهايي که در ترکيب سازنده اين آلياژها صورت گرفته ، مخصوصا افزايش محتوي مس ، باعث افزايش استحکام خستگي آن ها در محدوده دمايي بالاتر از ٢٥٠ درجه سانتيگراد شده است ولي دشواري هاي ريخته گري نيز با اين کار افزايش يافته است . آلياژهاي AlSi براي قطعات فورج و ريخته گري استفاده مي شوند. مقاومت به سايش اين آلياژها با افزاش دما کاهش مي يابد [٧].
در اين مطالعه ماده پيستون از جنس آلياژ ريخته گري AlSiCuMgNi١٢ با ساختار يوتکتيک مي باشد که ريزساختار آن در شکل ١ نشان داده شده است . از آنجا که قطعات در نزديکي محفظه احتراق دماهاي بالا و تغييرات دمايي شديدي را تجربه مي کنند، خواص حرارتي و مکانيکي ماده پيستون به صورت وابسته به دما تعريف شده است و در تمام مراحل اين مطالعه مورد استفاده قرار گرفته است . برخي از اين خواص وابسته به دما در جدول ١ نشان داده شده اند. شکل ٢ منحني تغييرات مدول الاستيک و رسانايي حرارتي
AlSiCuMgNi١٢ را بر حسب دما نشان مي دهد.
تحليل اجزاي محدود پيستون
براي انجام تحليل هاي حرارتي و مکانيکي ، مجموعه پيستون و محور آن به صورت سه بعدي مدلسازي شده است . چون هندسه و بارگذاري در پيستون داراي تقارن است ، براي کاهش زمان حل از يک چهارم مدل مجموعه پيستون در تحليل ها استفاده شده است که در شکل ٣ نشان داده شده است .
تحليل تنش -کرنش حرارتي -مکانيکي توسط روش المان محدود براي مدل سه بعدي پيستون به دو مرحله حرارتي و مکانيکي تقسيم مي شود. به اين صورت که ابتدا توزيع دما از تحليل حرارتي بدست مي آيد و اين توزيع دما به عنوان بارگذاري دمايي در تحليل سازه اي مورد استفاده قرار مي گيرد.
تحليل حرارتي
تنش هاي حرارتي در پيستون ، منجر به خستگي کم چرخه و همچنين ايجاد تنش هاي ميانگين در خستگي پر چرخه پيستون مي شوند. بنابراين بارگذاري حرارتي در پيستون از اهميت زيادي برخوردار است . هر چه توزيع دما در پيستون دقيق تر باشد، تنش هاي حرارتي حاصل از آن در نقاط مختلف پيستون دقيق تر خواهد بود. بنابراين ، بارگذاري حرارتي پيستون تا حد امکان بايد نزديک به واقعيت باشد. بارگذاري -
هاي حرارتي پيستون عمدتا عبارتند از:
١- انتقال حرارت گازهاي حاصل از احتراق با تاج پيستون
٢- انتقال حرارت روغن خنک کننده در مجراي خنک کاري پيستون
٣- انتقال حرارت در اثر تماس با رينگ روغن و رينگ هاي فشاري
٤- انتقال حرارت در اثر تماس پيستون با محور آن
٥- انتقال حرارت در دامن پيستون
ضرايب انتقال حرارت و دماي سيال در نواحي مختلف پيستون از منابع و مراجع مختلف [٨,٩,١٠] بدست آمده است و به عنوان شرايط مرزي حرارتي بر مدل المان محدود اعمال شده است . دماي متوسط و ضريب انتقال حرارت متوسط گازهاي داخل محفظه احتراق از تحليل يک بعدي ترموديناميکي چرخه موتور در نرم افزار Gt-Power بدست آمده است . توزيع ضريب انتقال حرارت جابه جايي در سطح تاج پيستون که در تماس با گازهاي داغ است مطابق شکل ٤ مي باشد. همانطور که در شکل مشاهده مي شود ضريب انتقال حرارت بر حسب موقعيت شعاعي پيستون تغيير مي کند. برخي از شرايط مرزي حرارتي اعمال شده بر پيستون که عبارتند از ضريب انتقال حرارت و دماي سيال در سطوح مختلف پيستون ، در شکل ٥
نشان داده شده است .
در تحليل اجزاء محدود مجموعه پيستون ، تماس اصطکاکي بين پيستون و محور لحاظ شده است . شبکه بندي مجموعه پيستون در شکل ٦ نمايش داده شده است . چون در اين مطالعه هدف بررسي پيستون است ، شبکه بندي بکار رفته براي پيستون از شبکه بندي محور آن ريزتر در نظر گرفته شده است . همچنين در مناطقي از پيستون که تمرکز تنش هندسي يا گراديان دمايي بيشتري وجود داشته است براي دست يابي به جواب هاي دقيق تر شبکه بندي ريزتر گرديده است .
تنش حرارتي در يک قطعه مقيد به صورت ساده با رابطه زير محاسبه مي گردد
مدول الاستيسيته و ضريب انبساط حرارتي به صورت تابعي از دما مي باشند. در صورتي که حاصل ضرب اين دو کميت با تغييرات دما و نيز تغييرات شرايط مرزي به صورت خطي باشد، مي توان از تحليل پايدار حرارتي براي بدست آوردن حداکثر مقدار تنش حرارتي ايجاد شده در سازه استفاده نمود
و نيازي به انجام تحليل گذراي حرارتي و تحليل گذراي تنش حرارتي -مکانيکي نمي باشد. در موتورهاي ديزل عمدتا بارگذاري حرارتي به صورت پيوسته و تقريبا خطي با زمان افزايش مي يابد تا اين که موتور به شرايط پايدار حرارتي در دور موتور و توان خروجي مورد نظر مي رسد. با توجه به مطالب فوق ، در اين مطالعه از تحليل پايدار حرارتي براي بدست آوردن توزيع دما استفاده شده است .
در شکل ٧ توزيع دما در مجموعه پيستون نشان داده شده است . نتايج حاکي از آن است که دماي بيشينه پيستون در ناحيه تاج پيستون که در تماس با گازهاي داغ احتراق است رخ مي دهد. بيشترين دمايي که پيستون آن را تجربه مي کند
٣٧٤ درجه سانتيگراد مي باشد. به دليل خنک کاري تاج پيستون توسط مجاري روغن داخل پيستون ، گراديان دمايي قابل توجهي بين تاج پيستون و مجراي روغن وجود دارد. به عبارت ديگر، مجراي روغن سبب کنترل و کاهش دماي تاج پيستون مي شود.
