بخشی از مقاله
چکیده
از جمله مودهای اصلی خرابی چندراهههای خروجی، تغییر شکل کلی1 و جزئی2 چندراهه خروجی میباشد. چندراهه خروجی تحت بارهای شدید مکانیکی و حرارتی قرار دارد، لذا بررسی اثر این بارگذاری روی تغییر شکل آن از طریق تحلیل اجزای محدود، ضروری است. تمایل به دستیابی گشتاور و توان بیشتر با حجم موتور کمتر، سبب شده است تا محدوده دمای کاری چندراهه خروجی افزایش یابد. لذا با توجه به اهمیت آببندی سطح ما بین چندراهه خروجی و بستار3 ، این مورد که تختی سطح چندراهه در محل اتصال به بستار در محدوده مناسب - حدود 5 میکرون - باشد، بسیار مهم است و بعد از کارکرد دراز مدت نیز نباید دچار تغییر شود. تغییر شکل چندراهه خروجی سبب از بین رفتن درجه تختی مناسب خواهد شد و اثر آن با نشت گازهای خروجی و ایجاد صدا پیدا میشود و عملکرد موتور را تحت تاثیر قرار میدهد. در این تحقیق، آزمون دمایابی با استفاده از کاشت حسگرهای سطحی روی چندراهه خروجی انجام گردید. آزمون دمایابی جهت تعیین محدوده و بیشینه دمای کاری چندراهه انجام میشود. سپس با استفاده از تحلیل اجزای محدود و تعریف محدودهها و شرایط مرزی حرارتی و مکانیکی مساله در نرم افزار، میادین تنش تعیین میشوند.
کلیدواژهها: روششناسی، تحلیل اجزای محدود، دمایابی، چندراهه خروجی
مقدمه
یکی از قطعات موتور که تحت شدیدترین بارهای حرارتی و مکانیکی قرار دارد، چندراهه خروجی می باشد. جی. دیوید راتناراج[1]1 تحلیل حرارتی را در طراحی چند راهه خروجی مورد توجه قرار داده است. موتورهای خودرو تحت بارگذاری شدید حرارتی - مکانیکی کار می کنند که دمای کاری آنها به بالای 800 درجه سانتیگراد می رسد، ابتدا باید توزیع دما در چند راهه خروجی به صورت نقطه به نقطه2 توسط نرم افزار با رعایت مش بندی صحیح و درنظر گرفتن شرایط دمایی داخل و خارج چندراهه خروجی انجام شود. سپس این اطلاعات وارد تحلیل آباکوس 3 میشود تا کرنش و تنش ساختار محاسبه شود. شبیه سازی اجزای محدود در نرم افزار آباکوس انجام شده است و مدل چندراهه خروجی EM429 با 4 مجرا و 8 پیچ که آن را به بستار متصل می کند، ترسیم گردیده است.
ماده سازنده سر استوانه و پیچها، آلومینیوم در نظر گرفته شد. تحلیل او شامل دو بخش تحلیل انتقال گرما و تحلیل تنش میشود. ژانگ یان4، لیو ژین5 به بررسی ترک خوردگی روی چندراهه خروجی در نهایت تحلیل تنش و کرنش روی آن پرداختهاند. در این پژوهش، با تحلیل CFD6، توزیع دما روی دیواره چندراهه خروجی و ضریب انتقال حرارت جابجایی تعیین می-شود. در تحلیل حرارتی چندراهه خروجی ، بار مکانیکی وارد شده از طرف گاز، بسیار کمتر از بار حرارتی است، بنابراین از آن صرف نظر میشود. تمرکز تنش7 بیشینه در فلانچ جلویی و پایه ثابت8 اتفاق میافتد. این تمرکز تنش در دو قسمت ذکر شده، به دلیل وجود پیچ ها و قیود9 ایجاد شده و همینطور گرادیان دمای بیشتر، می باشد.[2]
کریستیانا دلپرته10 و کارلو روسو11، در مقاله خود دو چندراهه خروجی از جنس چدن مورد بررسی قرار دادهاند، که تحلیل FE بین چندراهه خروجی و بستار انجام شده است. برای بدست آوردن توزیع حرارتی، تحلیل حرارتی انجام شده است. مدل های FE برای تخمین حالت تنش کرنش حل شدهاند. یک تحلیل ساختاری حرارتی FE روی این نمونه انجام شد. معمولأ برای شبیه سازی توزیع دما در چندراهه خروجی بیشترین میزان دما در نظر گرفته میشود تا برای بدترین شرایط تحلیل انجام شود. روش کار مبتنی بر شبیه سازی مجازی غیر خطی با استفاده از ابزارهای CAE می باشد .[3]. کین یین فان12، ماسایوکی کوبا13، با استفاده از روش اجزای محدود به بررسی توزیع دما روی چندراهه خروجی و تحلیل تنش روی آن پرداختهاند. برای محاسبه توزیع دما، جریان گاز به دو صورت فرض شده است.
یکبار تحلیل برای حالتی انجام گشته که گاز تراکم ناپذیر فرض شده و بار دیگر بنابر فرض گاز ایده آل، مسئله حل شده است .[4] آشوانی کومار14 و آرون کومار15، با استفاده از نرم افزار ANSYS-14، تنش ها و کرنش ها درچندراهه خروجی را یافتهاند، بنابراین نقاط بحرانی در چندراهه خروجی مشخص شده است. برای تحلیل اجزای محدود، دمای 800 درجه سانتی گراد به عنوان دمای سیال خروجی، روی چندراهه خروجی اعمال و سپس نتایج استخراج می شود. به منظور شبیه سازی گرادیان دمای16 چندراهه خروجی، دمای محیط 30 درجه سانتی گراد با ضریب انتقال گرمای 5 W/m2 K در نظر گرفته شد.[5] بین زو17 ، یاکیان هو18، در پژوهش خود به بررسی تحلیل ساختاری و سیالاتی چندراهه خروجی پرداختهاند. مدل هندسی آنها توسط HYPERMESH مش زنی شده و به بوسیله نرم افزار اجزای محدود آباکوس تحلیل انجام گشتهاست.
با استفاده از تحلیل CFD ضریب جابجایی حرارتی استخراج شده و بعد از آن توزیع دما، روی چندراهه خروجی حاصل شده است. پیش تنش حرارتی و نیروی پیش بار پیچ ها به عنوان پیش فرض تحلیل وارد نرم افزار می-شوند.[6] صالح نژاد و محمدی، با استفاده از تحلیل اجزای محدود و اعمال شرایط مرزی مسئله، دمای دیواره داخلی، دمای دیواره خارجی چندراهه خروجی، دمای محیط، ضریب هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی روی مدل به تحلیل حرارتی- مکانیکی آن پرداختند. میدان تنش نرمال و برشی حاصل شده است و محل همریختگاه19 چندراهه خروجی به عنوان نقطه بحرانی تنش تعیین شد.[7]
در این مقاله برای تعیین میادین تنش روی چندراهه خروجی به جهت سنجش میزان مقاومت و استحکام آن، از روش اجزای محدود استفاده شده است. برای تعیین بارهای حرارتی که روی چندراهه خروجی وارد میشوند، سطح چندراهه خروجی در 8 نقطه دمایابی شده است. این تحلیل روی چندراهه خروجی موتور پرخوران بنزینی انجام شده است. روششناسی تحقیق، مطابق با شکل1 میباشد. ابتدا با استفاده از نتیجه دینامیک سیالات محاسباتی و دراختیار داشتن ضریب انتقال حرارت جابجایی، توزیع دما روی دیواره داخلی و خارجی چندراهه تعیین شده است. با استفاده از آزمون دمایابی در اتاق آزمون موتور،نتیجه مدل اجزای محدود صحهگذاری میشود و در صورت تطابق نتایج، شرایط مرزی مسئله اعمال میگردد. با درنظر گرفتن برهم کنش های تحلیل، میادین تنش روی چندراهه خروجی حاصل می-شود.
آزمون دمایابی
به جهت وارد نمودن خواص مکانیکی قطعات درگیر شبیه سازی متناسب با تغییرات دما، و صحه گذاری نتایج حاصل از تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی و همچنین درج مقدار دمای دیواره چندراهه خروجی در تحلیل اجزای محدود به عنوان شرط مرزی حرارتی، دمایابی روی چندراهه خروجی اجرا شده است. یک موتور وارد اتاق آزمون شد و چندراهه خروجی آماده سازی شده روی موتور بسته شد و دمایابی اجرا گردید. دمای گاز خروجی قبل از توربین پرخوران و دمای 8 نقطه روی سطح چندراهه خروجی، که فکر می کنیم بحرانی ترین نقاط هستند، به وسیله کاشت دماسنج سطحی روی آن استخراج شد.
موتور مورد نظر یک موتور چهاراستوانه خطی پرخوران با سوخت بنزین اکتان 95 می باشد.برای کاشت 8 عدد دماسنج دوفلزی1 روی سطح چندراهه خروجی و دماسنج دوفلزی مربوط به خوانش دمای گاز قبل از پرخوران، نیاز به آماده سازی آن میباشد. برای نصب دماسنج دوفلزی سطحی، 8 نقطه از چندراهه خروجی - که محل آنها در شکل2 و 3 نشان داده شده است - ، با ابزار 0,5 میلیمتر فرزکاری شده است. ضمن اینکه برای نصب دماسنج دوفلزی خوانش دمای گاز - - TEUT که در شکل 2 نشان داده شده است، ، محل آن، با ابزار 3 میلیمتر فرزکاری انجام گردیده است. این حسگر، دقیقا روی همریختگاه چندراهه خروجی یعنی جایی که مجاری به هم میرسند، قرار دارد. حسگرهای دمای سطحی با نوعی چسب مخصوص روی سطح چندراهه کاملا مهار میشوند.
آزمون در حالت تمام بار انجام می شود.2 به ازای اختلاف 500 rpm برای دور موتور، داده ی مورد نظر به ازای فرکانس 1 هرتز در مدت 1 دقیقه جمع آوری می شود. میزان بازشدگی دریچه ورودی هوا3 در هر مرحله به صورت کاملا باز4 است و بعد از ثابت شدن متغیرهای موتور، داده برداری به مدت 60 ثانیه انجام می شود.بعد از اتمام آزمایش، نتایج خام حاصل از آزمون استخراج گشت. این نتایج با استفاده از نرم افزار ETC5 دسته بندی می شود.نمودار های مربوط به عملکرد موتور و متغیرهای کنترلی - شکلهای 4 تا - 7 با استفاده از نرم افزار Origin رسم گردیده اند. به جهت اطمینان از صحت آزمون و سلامت موتور، اطلاعات مربوط به شرایط موتور و پیرامون آن نظیر دمای محیط آورده شده است. مطابق شکل4 بیشترین مقدار گشتاور حدود 212 N.M در دور rpm 4000 میباشد. توان موتور به دلیل افزایش سرعت باز و بسته شدن درچه ها و کاهش بازدهی حجمی در دورهای بالاتر از 5000rpm ،
