بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روش المان محدود غیرخطی برای تحلیل تنشها در چشم کوچک شاتون و گژن پین موتورهای احتراق داخلی در هنگامه احتراق
چکیده
در پژوهشی حاضر توزیع تنشها در چشم کوچک شاتون و گژن پین در هنگامه احتراق با تاکید بر اثرات زاویه استقرار چشم کوچک روی ساقه شاتون بررسی می شود. گژن پینها لوله های جدار ضخیمی اند که به علت نسبت طول به قطر کم و تماس بخش زیادی از آن با چشم کوچک شاتون و باس پیستون، استفاده از تئوری تیرهای ساده در تحلیل آن منجر به نتایج بسیار تقریبی می شود. به این مسأله باید ناتوانی روشهای تحلیلی و نیمه تحلیلی در مدلسازی لبه های شاتون را افزود. بنابراین در این بررسی مدلهای المان محدود سه بعدی شامل چشم کوچک، گژن پین و باس پیستون ارایه شده و با کاربرد المانهای تماسی اندرکنش این قطعات و رفتار چشم کوچک و گژن پین مدلسازی میشود. مدلهای المان محدود نشان می دهد که روابط نیمه تجربی نمی توانند توزیع تنش بحرانی را به درستی پیش بینی کنید
۱- مقدمه
تقاضا برای موتورهایی با کارایی بالا و در عین حال مصرف سوخت و هزینه پایین منجر به توسعه موتورهای کوچکتر شده است، به این علت تحلیل دقیق قطعات موتور برای طراحیهای جدید ویا بهینه سازی ضروری است. طراحی گژن پین و شاتون - به دلیل اینکه وظیفه انتقال حرکت از پیستون به میل لنگ را بر عهده داشته و بیشترین تاثیر را در موزون سازی موتور بر عهده دارد- از اهمیت بسزایی بر خوردار است. پروفیل حرکت و چرخه بارگذاری پیچیده و متغیر حتی در سرعتهای ثابت موتور واندرکنشی شاتون با گژن پین، پیستون، میل لنگ، بوشها و یاتاقانها و پیچهای مورد استفاده در آن از جمله مواردی هستند که مدلسازی و تحلیل این قطعه را پیچیده می سازد. به این مسایل باید مشکلات متالورژیکی را که منجر به از کار افتادگی شاتون می شود نیز اضافه کرد. از اینرو هر یک از مدلهای ارایه شده شامل تأکید بر بررسی بخشهایی از آن است. در پژوهش حاضر سه مدل المان محدود سه بعدی شامل شاتون، گژن پین و باس پیستون با سه زاویه استقرار مختلف چشم کوچک شاتون روی ساقه آن، ساخته شده و المانهای تماسی نیز در سطوح تماس قطعات تعریف می شود. سپس با کمک تحلیل غیر خطی اندرکنشی آنها به دقت مدل شده و توزیع تنشها در چشم کوچک و گژن پین در هنگامه احتراق به دست آورده شده و نتایج با روابط تحلیلی و نیمه تحلیلی مقایسه می شود.
۲- مرور کارهای پیشین
شکست شاتون می تواند به دلیل نوع طراحی، عملکرد موتور و یا مشکلات متالورژیکی روی دهد. برای مثال شکست ساقه ناشی از
مشکلات متالورژیکی[1]، شکست چشم بزرگ به دلیل گوشه هایی که برای پیچهای D-head در آن پیش بینی می شود و شکست چشم کوچک به دلیل سایش چشم کوچک با بوش برنزی پرس شده در آن گزارش شده است [2] . شکست گژن پین که معمولاً ناشی از بیضوی شدن و تنشهای برشی مماسی است دارای طبیعت خستگی میباشد. این پدیده معمولاً از سطح داخلی با گسترش ترکهای طولی ریز آغاز می شود. از آنجایی که بار به شکل نوسانی اعمال می شود ترکها به گونه فزاینده ای گسترش یافته و باعث شکست خستگی می شوند [3]. گفتنی است با توجه به طول تماس زیاد گژن پین و پیچیدگی رفتار قطعات در محلهای تماس با چشم کوچک شاتون و باس پیستون، این نوع خاصی سایش منجر به شکستهای خستگی باسازوکارهای بسیار پیچیده ای می شود که اکنون تحقیقات گسترده ای در زمینه موتورهای احتراق داخلی روی آن صورت می گیرد[5 و 4]KOlchin{6} Zhang از جمله منابعی می باشد که بارویکردی تحلیلی- تجربی اقدام به ارایه مدلهایی برای توزیع تنشها در چشم کوچک و گژن پین کرده است. [7]Rabb تحلیل خستگی یک شاتون از کار افتاده موتور دیزلی حادثه دیده را انجام داده است. این تحلیل بر اساس اثرات سایش بوده و منجر به اصلاح پروفیل دندانه های جای پیچها در چشم بزرگ و تغییر مصالح ساخت شده است. FeSSler و همکاران [8] مدلی از جنس پلی استرن شامل چشم کوچک و قسمتی از ساقه شاتون، گژن پین و پیستون ساخته و به بررسی تجربی تنشها در گژن پین با روش فتو الاستیسیته در هنگامه احتراق پرداخته اما در خصوصی توزیع تنشها در چشم کوچک گزارشی ارایه نداده اند. بسیاری دیگر از پژوهشها نیز در خصوصی مدلسازی فورجینگ و تحلیل تنشها درآن حسالت [10 9] و یا سایر مراحل ساخت [11] بوده است. آنچه باعث می شود تحلیل قطعات یک سیستم بابی دقتی همراه باشد، عدم اعمال درست انتقال نیروها بین اعضایی است که با هم اندر کنش دارند، که روش مرسوم شده در تحلیل خطی است. بنابه این روش پدیده تماس را در نظر نگرفته و فرض می شود الگوی نیروها داده شده است. این کار غالباً به نتایج محاسباتی غیردقیق منجر می شود، زیرا نحوه انتقال نیروها یک متغیر ناشناخته است [12]. جهت رفع این مشکل، در تحقیق حاضر مدلهای المان محدود سه بعدی شامل گژن پین، چشم کوچک شاتون وباس پیستون ارایه و اندرکنش قطعات مدلسازی می شود.
۳- مدلهای المان محدود
همانگونه که از شکل (۱) مشخص است مچموعه پیستون، گژن پین و شاتون نسبت به صفحات شعاعی و محوری که از آنها می گذرد متقارن است، بنابراین مطابق شکل (۲) برای مدلسازی یک چهارم گژن پین و شاتون و یک دوم یکی از باسهای پیستون در نرم افزار ANSYS مدل شده و شرایط مرزی تقارن اعمال میشود. خواص و مشخصات قطعات گفته شده وشرایط موتور در جدول (۱) آمده است.
فرض می شود باسی در سمت انتهایی خود به بدنه پیستون به گونه صلب مقید شده است. این شبکه برای زوایای استقرار چشم کوچک شاتون روی ساقه "90 = 0em و 140 = 0em نیز تولید شد که شکل (۲) به صورت نوعی برای 110 = 0em نشان داده شده است. بحرانی ترین بارگذاری فشاری بر روی چشم کوچک در هنگامه انفجار ایجاد می شود. نیروی عکس العمل برآیند ناشی از احتراق و اینرسی به وسیله رابطه (۱) محاسبه شده و به صورت فشار یکنواخت روی قسمتی از ساقه شاتون که برش خورده است اعمال می شود(شکل ۲). در هنگام تحلیل از جابجایی (lag) بیشینه فشار احتراق (pg max) نسبت به TDC که معمولا بین "16 - 10 است
"سرعتی است که در آن حداکثر گشتاور و حداکثر فشار احتراق اتفاق می افتد. برای خودروی کاربراتوری تحت بررسی حداکثر گشتاور در دور "P" / روی می دهد. باتوجه به شکل (۲) برای تولید شبکه از المان SOLID45 و مش با سازمان(Structured) استفاده شده است. هر چند نرم افزار ANSYS قابلیت استفاده از مش بی سازمان (unStructured)را نیز در مدلسازی قطعات در حال تماسی دارد، اما استفاده از مش با سازمان باعث می شود تا قطعات در سطوح مشترک تماسی با دقت بسیار بالایی مدل شده و مشکلی تداخل المانها در سطوح تماس بروز نکرده ودر نتیجه تحلیل نادرست انجام نگیرد. در محلهای تماس گژن پین با چشم کوچک و باسی نیز المانهای تماسی تعریف شده اند. پس از گسسته سازی معادلات تعادل به روش المان محدود، دستگاه معادلات غیرخطی به دست آمده با استفاده از روش نیوتن-رافسون حل گردید. تعداد مشها نیز در چند مرحله ریز گردیده تا از استقلال جوابها از تعداد المانها اطمینان حاصل شود. برای بررسی اعتبار جوابهای به دست آمده، توزیع تنشهای ایجاد شده در گژن پین که از مدلهای حاصل از مدل المان محدود حاضر به دست آمده بود با نتایج حاصل از فتوالاستیسیه [8] مقایسه و مطابقت بسیار خوبی مشاهده شد که شرح تفصیلی آن در [13] آمده است.
۴- مدل تحلیلی تنشها در چشم کوچک
برای مقایسه نتایج حاصل از المان محدود با مدلهای نیمه تجربی روابط مذکور در پی می آید [6 و 3]. در این مدل فرض می شود توزیع 2F. cosa نیروها روی نیمه پایینی چشم کوچک دارای توزیع کسینوسی با شدت بانک - = q, y است (شکل ۳-b). برای مقطع
در روابط بالا بر 0 در عبارت ۶/۲ بر حسب رادیان جایگذاری می شود. مقادیر است. N و بس.M بستگی به زاویه استقرار ( m 0) داشته و از F.„r. Fom 7t جدول (۲) به دست می آیند. زاویه استقرار نسبت به محور تقارن عمودی شاتون اندازه گیری میشود (شکل ۳).
۵- مدل نیمه تحلیلی گژن
پین با توجه به اینکه مدل [3]KhOVakhو [6]Kolchin کاملتر از مدلهای تحلیلی دیگر است برای مقایسه نتایج مدل المان محدود حاضر از آنها استفاده خواهد شد.
تنش خمشی از رابطه زیر محاسبه می شود
تنش مماسی که به علت برش در مقطع بین چشم کوچک و باس پیستون ایجاد می شود از رابطه زیر به دست میآید
در این مدل توزیع بار در صفحه شعاعی سینوسی در نظر گرفته می شود(شکل C-3 ). در اینحالت تنشهای ایجاد شده در مقاطع مختلف متفاوت خواهند شد. تغییر شکل قطری نباید از نصف لقی قطری بین گژن پین وچشم کوچک تجاوز کند.
تنشهایی که به علت بیضی شدن روی سطوح خارجی وداخلی برای سطح افقی(نقاط 1 و 2 در "0 = ) و مقطع عمودی(نقاط 3 و 4 در 90° س- 6- شکل C-۳) ایجاد میگردد به وسیله روابط زیر محاسبه میشوند.
