بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تنش ها و کرنش هاي به وجود آمده در یک پیستون موتور احتراق داخلی ماشین اپل مدل 2011 بر اثر فشار وارده بر آن را محاسبه خواهد شد . فشار وارده بر انتهاي پیستون ناشی از انفجار داخل محفظه احتراق است. این فشار به صورت تقریبی و با استفاده از مراجع برابر 3.02 مگا پاسکال در نظر گرفته شد. از اثر حرارت در این کار چشم پوشی شده و به منظور مدلسازي پیستون ساده سازه هایی در نظر گرفته شده است.
به منظور اعمال شرایط مرزي سطوح مربوط به سوراخ هاي ایجاد شده در بدنه پیستون کاملا مقید شده اند و درجات آزادي آنها در تمامی جهات محدود شده است. در ادامه تنش ون مایسز بیشینه و محل آن و همچنین ضریب اطمینان در مقابل تسلیم بدست آمده است. نتایج بدست آمده توافق خوبی با مقادیر ارائه شده در مراجع براي پیستونهاي مشابه دارد.
پیستون
پیستون قطعه اي است استوانه اي شکل که در داخل سیلندر با اتصال داشتن به شاتون حرکت رفت و برگشتی دارد. پیستون قطعه اصلی موتور است که چهار عمل اصلی موتور را فراهم می کند.
پیستون ایده آل باید استوانه کامل باشد ولی در حقیقت چنین نیست. مقطع پیستون، دایره شکل یا کمی بیضی شکل ساخته می شود. پیستون بیضی شکل وقتی گرم شود به حالت دایره اي کامل در می آید. براي سهولت حرکت پیستون در سیلندر و جلوگیري از گیر کردن آن در اثر انبساط در سیلندر، لازم است لقی کمی بین پیستون و سیلندر پیش بینی شود. در این فاصله کم، قشر نازکی از روغن قرار میگیرد و فاصله را پر میکند. ضمن آنکه اصطکاك ایجاد شده را تقلیل می دهد، از سایش سریع آن دو نیز می کاهد و موجب تبادل حرارت میگردد. پیستونهاي بیضی شکل که براي جلوگیري از چسبیدن پیستون به سیلندر - گریپاژ - ساخته می شود با ابعاد خاصی طرح میگردد.
پیستون تحت اثر نیروهاي فشاري و حرارتی بالایی قرار دارد که منجر به ایجاد تنشهاي زیادي در آن می گردد. در مراحل مختلف کارکرد موتور حرارت ایجاد شده و فشار وارده تغییر میکند. گرماي ایجاد شده و همچنین فشار وارده در لحظه احتراق بیشترین مقدار خود را دارد.
در این مقاله تنشها و کرنشهاي به وجود آمده در یک پیستون موتور احتراق داخلی ماشین اپل مدل2011 بر اثر فشار وارده بر آن را محاسبه خواهد شد. فشار وارده بر انتهاي پیستون ناشی از انفجار داخل محفظه احتراق است. این فشار به صورت تقریبی و با استفاده از مراجع برابر 3 مگاپاسکال در نظر گرفته شد . از اثر حرارت در این کار چشم پوشی شده و به منظور مدل سازي پیستون ساده سازه هایی در نظر گرفته شده است. به منظور اعمال شرایط مرزي سطوح مربوط به سوراخ هاي ایجاد شده در بدنه پیستون کاملا مقید شده اند و درجات آزادي آنها در تمامی جهات محدود شده است. در ادامه تنش ون مایسز بیشینه و محل آن و همچنین ضریب اطمینان در مقابل تسلیم بدست آمده است.
مدلسازي
مراحل زیر جهت بدست آوردن نقاط ویژه مورد استفاده قرار می گیرد پیستون توسط سه گیره مهار شده و در درجات آزادي آن بسته شده است.
تمامی سطوح بصورت مجزا مرور می شوند و براي هر سطحی گره ها و مسیر هایی بوجود می آید و سپس سطوح سر هم می گردد.
در این مرحله سطوح ها بوجود آمده و سر هم شده به فرمت IGES در آمده و براي تبدیل به مدل سه بعدي SOLID به نرم افزار CATIA منتقل می شود.
به کمک برون یابی سایر سطوح براي سر هم بندي پیستون مشخص می گردد سپس سطوح با هم ترکیب می گردد.
براي شروع این فرایند از مدل و المان هاي SOLID استفاده می گردد سپس مدل کد براي ساختن قطعه استفاده می گردد. چنگ چانگ روش جدیدي را بر به منظور انجام تحلیل المان محدود پیستون در مرحله اول مدلسازي آن با استفاده از نرم افزار ANSYS انجام شده است. مدل نهایی مورد استفاده در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 مدل کامل پیستون به صورت مش خورده
چن چانگ روش جدیدي را بر پایه استتفاده از بردار نرمال تخمین جهت اندازه گیري داده ها و بهتر کردن این داده ها و رقومی ساختن آن ها با روش CMM ارائه کرده اند. ابتدا به وسیله درون سازي داده هاي رقومی شده مرتب کردند.
کثیل و ویبرگ بررسی بر روي روش هاي مدلسازي کامپیوتري مدلسازي هندسی بازسازي و استفاده از نتایج مشاهداتی با استفاده از روشهاي سازهاي تحقیق کردند و برنامه اي به نام FEM90 تولید کردند. این نرم افزار بر روي مدل یک پل آزمایش شد.
این روش نشان داد که استفاده از مدل هاي سه بعدي Solid در طراحی سازه ها داراي مزایاي متعددي می باشد.
نوع المان Solid92 و ثوابت ماده نیز به صورت زیر در نظر گرفته شده است در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل :2 المان Solid 92
سر هم بندي پیستون
براي هر تحلیل معنی داري از پیستون ضروري است که لولاي پیستون به صورت مناسب سر هم بندي شده و بر اساس مطالعات انجام شده با هم ترکیب شوند تا زمانی که عملکرد دینامیکی و خمش و اعوجاج لولاها که همه معیارهاي مهم جهت تخمین این که آیا نیروي بوجود آمده قادر است تا انتقال یابد و از پیستون به لولا به صورت کاملاً امن صورت پذیرد.
به دلیل هندسه کاملا پبچیده و اندر کنش هاي بسیار که مسئله شامل آنها میباشد روش المان محدود روش بسیار کارا و آسان جهت دریافتن و حل این اندرکنش هاست.
تکیه گاه هاي اصطحکاکی در محیط و پیرامون پیستون بخاطر مدل سازي صحیح حرکت در داخل سیلندر در نظر گرفته می شود.
در نهایت اتصال میان پیستون و لولاي پیستون می تواند تغییر داده شود از حالت قیدهاي پیش فرض به حالت بدون قید.براي اینکه به پیستون اجازه داده شود تا حرکت هاي مرکب انتقالی و چرخشی را انجام دهد . - یعنی هدف از ایجاد این تکیه گاه ها این است تا پیستون به درستی حرکت هاي انتقالی و چرخشی خود را انجام دهد -
مش بندي مدل به صورت اتوماتیک 1 انجام و سایز مش برابر 2mm در نظر گرفته شده است در شکل 3 نشان داده شده است.
محاسبات بار گذاري مکانیکی
در طول عملیات پیستون در معرض بارهاي خارجی ناشی از گازها FG و جرم خود FMK به صورت زیر میباشد:
بارگاز در نتیجه افزایش فشار سیلندرPG که بر روي هد پیستون - کله پیستون - بر روي سطح AK آن وارد می شود ایجاد می گردد که از رابطه زیر محاسبه می شود.
جهت توصیف شرح و محاسبه تغییرات قابل توجه در ماکزیمم فشار گاز به کله پیستون وارد می شود. فشار میانگین موثر در اولین مرحله طراحی بدست میآید.
شکل :3 مدل کامل پیستون به صورت مش خورده
به منظور اعمال شرایط مرزي سطوح مربوط به سوراخ هاي ایجاد شده در بدنه پیستون کاملاً مقید شدهاند و درجات آزادي آنها در تمامی جهات محدود شده است که در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل :4 شرایط مرزي اعمالی بر روي پیستون
علت اعمال شرایط مرزي به این ترتیب این است که میله رابطی که از سوراخ ها عبور می کند حرکت پیستون را در دو راستا محدود می کند و همچنین دیواره سیلندر حرکت پیستون را در راستاي باقیمانده محدود می نماید.
فشار ثابت برابر 3 مگاپاسکال بر روي انتهاي پیستون به صورت یکنواخت اعمال شد. در شکل 5 نشان داده شده است.
شکل : 5 فشار وارده بر انتهاي پیستون
در شکل 6 زیر نحوه اعمال شرایط مرزي و فشار وارده بر پیستون به صورت همزمان نشان داده شده است.
شکل :6 شرایط مرزي و فشار وارد بر انتهاي پیستون
نتایج
اولین نتیجه بدست آمده تنش ون مایسز در پیستون می باشد که بیشترین مقدار آن در شکل 7 در محل تقاطع انتهاي پیستون با دیواره داخلی اتفاق می افتد و برابر 183Mpa است.
