Stress analysis of piston using pressure load and thermal load (1)

Tính toán động cơ đốt trong Mục tiêu chính của công việc nghiên cứu này là điều tra và phân tích sự phân bố ứng suất của piston ở điều kiện thực tế của động cơ. Trong bài viết này phân tích áp suất, phân tích nhiệt và phân tích cơ nhiệt được thực hiện. Thông số dùng để phân tích là áp suất khí vận hành, nhiệt độ và tính chất vật liệu của piston. Trong động cơ IC, píttông là bộ phận phức tạp và quan trọng nhất, do đó, để xe vận hành trơn tru, píttông phải ở tình trạng hoạt động tốt. Piston bị hỏng chủ yếu do ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt. Việc phân tích piston được thực hiện với các điều kiện biên, bao gồm áp suất lên đầu piston trong điều kiện làm việc và sự phân bổ nhiệt độ không đồng đều từ đầu piston đến váy. Phân tích dự đoán rằng do nhiệt độ, bề mặt trên của piston có thể bị hỏng hoặc gãy trong điều kiện vận hành, vì các bộ phận bị hỏng hoặc gãy rất tốn kém để thay thế và thường không dễ dàng có được. Mô hình CAD được tạo bằng phần mềm PROE. Mô hình CAD sau đó được nhập vào phần mềm ANSYS cho mục đích hình học và chia lưới. FEA được thực hiện bằng cách sử dụng ANSYS12.

Trang 1

1 Trường Cao đẳng Kỹ thuật, Nghiên cứu và Công nghệ Rajiv Gandhi, Chandrapur(MS)

2 Phó Giáo sư Khoa Cơ khí, Sinh viên M.Tech (CAD/CAM),

Trường Cao đẳng Kỹ thuật, Nghiên cứu và Công nghệ Rajiv Gandhi, Chandrapur(MS)

Mục tiêu chính của công việc nghiên cứu này là điều tra và phân tích sự phân bố ứng suất của piston ở điều kiện thực tế của động

cơ Trong bài viết này phân tích áp suất, phân tích nhiệt và phân tích cơ nhiệt được thực hiện Thông số dùng để phân tích là áp suất khí vận hành, nhiệt độ và tính chất vật liệu của piston Trong động cơ IC, pít-tông là bộ phận phức tạp và quan trọng nhất,

do đó, để xe vận hành trơn tru, pít-tông phải ở tình trạng hoạt động tốt Piston bị hỏng chủ yếu do ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt Việc phân tích piston được thực hiện với các điều kiện biên, bao gồm áp suất lên đầu piston trong điều kiện làm việc và sự phân bổ nhiệt độ không đồng đều từ đầu piston đến váy Phân tích dự đoán rằng do nhiệt độ, bề mặt trên của piston có thể bị hỏng hoặc gãy trong điều kiện vận hành, vì các bộ phận bị hỏng hoặc gãy rất tốn kém để thay thế và thường không dễ dàng có được Mô hình CAD được tạo bằng phần mềm PRO-E Mô hình CAD sau đó được nhập vào phần mềm ANSYS cho mục đích hình học và chia lưới FEA được thực hiện bằng cách sử dụng ANSYS12

Giáo sư SD Khamankar2 Vaishali R Nimbarte1,

1 GIỚI THIỆU

TRỪU TƯỢNG

2 VẬT LIỆU CHO PISTON

Email: editoriijme@ipasj.org ISSN

2321-6441

Trang 1

Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015

Trang web: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm

TẢI ÁP SUẤT VÀ TẢI NHIỆT PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT KHI SỬ DỤNG PISTON

Piston là một bộ phận của động cơ IC chuyển động qua lại Nó là bộ phận chuyển động được chứa trong một xi lanh và được làm kín khí bằng các vòng piston Trong động cơ, mục đích của nó là truyền lực từ khí giãn nở trong xi lanh đến trục khuỷu thông qua cần piston Piston chịu được áp suất khí tuần hoàn và lực quán tính khi làm việc, điều kiện làm việc này có thể gây ra hiện tượng mỏi của piston, chẳng hạn như mòn thành piston, nứt đầu piston, v.v Vì vậy, cần phải tối ưu hóa thiết kế piston bằng cách xem xét các thông số khác nhau trong dự án này, các thông số được chọn là phân tích piston bằng cách tác dụng lực ép lên đỉnh piston và phân tích nhiệt của piston ở nhiệt độ khác nhau trong hành trình khác nhau Phân tích này có thể hữu ích cho kỹ sư thiết kế trong việc sửa đổi piston tại thời điểm thiết

kế Trong dự án này, chúng tôi xác định cách tính toán ứng suất khác nhau bằng cách sử dụng phân tích áp suất, phân tích nhiệt và phân tích cơ nhiệt để chúng tôi có thể tìm ra các vùng hoặc khu vực khác nhau có khả năng xảy ra hư hỏng piston Từ phân tích, rất dễ dàng để tối ưu hóa thiết kế của piston Yêu cầu chính của thiết kế piston là đo lường khả năng dự đoán sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt piston, giúp chúng ta tối ưu hóa khía cạnh nhiệt cho thiết kế piston với chi phí thấp hơn Hầu hết các piston được làm bằng hợp kim nhôm có hệ số giãn nở nhiệt cao hơn 80% so với vật liệu lỗ

xi lanh làm bằng gang Điều này dẫn đến một số khác biệt giữa việc chạy và khoảng trống thiết kế Vì vậy, việc phân tích đặc tính nhiệt của piston là cực kỳ quan trọng trong việc thiết kế máy nén hiệu quả hơn Việc làm kín tốt piston với xi lanh là tiêu chí cơ bản để thiết kế piston Ngoài ra, để nâng cao hiệu suất cơ học và giảm lực quán tính trong các máy tốc độ cao, trọng lượng của piston cũng đóng vai trò quan trọng Để cho phép giãn nở nhiệt, đường kính của piston phải nhỏ hơn đường kính của xi lanh Khe hở cần thiết được tính bằng cách ước tính chênh lệch nhiệt độ giữa piston và xi lanh và xét đến hệ số giãn nở nhiệt của piston.

Các vật liệu được sử dụng phổ biến nhất cho piston của động cơ IC là gang, hợp kim nhôm (nhôm đúc, nhôm rèn), thép đúc

và thép rèn.

Từ khóa: Piston, PRO-E, ANSYS12.

Nhà xuất bản vì động lực nghiên cứu

a) Đối với pít-tông bằng gang, nhiệt độ tại tâm đầu pít-tông (TC) là khoảng 425°C đến 450°C ở nhiệt độ đầy đủ b) Đối với piston hợp kim nhôm, TC khoảng 260°C đến 290°C và TE khoảng 185°C đến 215°C.

điều kiện tải trọng và nhiệt độ tại các mép của đầu piston (TE) vào khoảng 200°C đến 225°C.

Trang 2

QH=0,433*D*căn bậc hai của(Pmax/ft)

t2 = 0,7t1 đến t1

`` =

Các bước trên được giải thích như sau: (i)

Độ dày đầu piston (tH): Độ dày piston

của đầu piston được tính theo công thức Grashoff sau,

• Độ dày của đầu piston (tH) •

Nhiệt truyền qua đầu piston (H) • Độ dày

hướng tâm của vòng (t1) • Độ dày

trục của vòng (t2) • Chiều rộng của

lớp đất trên cùng (b1) • Chiều

rộng các vùng đất vành đai khác (b2)

*squ.root của (3pw/ft) ( )

Độ dày của các vòng có thể được lấy như

Quy trình thiết kế Piston Quy

trình thiết kế piston bao gồm các bước sau:

Những cân nhắc về thiết kế Piston Khi

thiết kế Piston cho động cơ, cần xem xét những điểm sau: • Nó phải có độ bền rất lớn để chịu được áp

suất cao • Nó phải có trọng lượng tối thiểu để chịu được lực quán tính •

Nó sẽ hình thành nên sự bịt kín dầu hiệu quả trong xi lanh • Nó phải

cung cấp đủ diện tích chịu lực để tránh mài mòn quá mức •

Nó phải có chuyển động qua lại tốc độ cao mà không có tiếng ồn • Nó

phải có kết cấu đủ cứng để chịu được các biến dạng nhiệt và cơ

học • Nó phải có đủ chỗ đỡ cho chốt piston

Trong

đó, D = lỗ khoan xi lanh

tính bằng mm Pw = áp suất của nhiên liệu lên thành xi lanh tính bằng N/mm2 Giá trị của nó được giới hạn từ 0,0245N/mm2 đến 0,042N/mm2

Đối với vật liệu hiện

tại, σt là 90Mpa (iv) Độ dày trục của vòng (t2)

`` ```` `` = ` Chiều rộng của lớp đất mặt thay đổi từ

Tính toán phân tích được thực hiện cho piston gang Để thực hiện tính toán phân tích, các đặc tính vật liệu và thông tin kích thước phải

được biết và do đó, tất cả các tham số được xem xét để thiết kế piston đều được tính toán bằng cách sử dụng một bài toán phân tích

Te = nhiệt độ tại các mép của đầu piston tính bằng

°C (iii) Độ dày xuyên tâm của vòng (t1)

Trong

đó, K=độ dẫn nhiệt của vật liệu là W/m0 k Tc = nhiệt độ tại

tâm đầu piston tính bằng °C

Trong đó z = số vòng (v) Chiều

rộng lớp đất trên cùng (b1)

z / = ́

Đối với CI ft có thể lấy bằng 37,5N/mm2 Ở

đây vật liệu là loại hợp kim AL-Si đặc biệt có ứng suất cho phép là 50 Mpa- 90Mpa trước khi tính chiều dày đầu piston, phải xác định

đường kính của piston Kích thước piston được xem xét ở đây có L*D được chỉ định là 152*140 (ii) Dòng nhiệt qua đầu Piston (H): Lưu

lượng nhiệt qua đầu Piston được tính

theo công thức ̋ ̈ ́́́́/ (Xăng – ̋̂ ) ̜ =

Trong

đó, P= áp suất tối đa tính bằng N/mm2

D= lỗ xi lanh/đường kính ngoài của piston tính bằng mm ft =

ứng suất kéo cho phép của vật liệu làm piston

Độ dày trục tối thiểu (t2)

3 TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH CHO PISTON

Trang 2 Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015

Trang 3

́ ́ ́ ́ ́ ́ ́

b = Độ sâu hướng kính của rãnh vòng piston

Độ dày xuyên tâm của vòng (t1)

/ 0C

3.0

7

Chiều rộng lớp đất trên cùng (b1)

(vi).Chiều rộng của các vùng đất khác (b2)

MPa

3,5

Chiều dài của Piston(L) (vii) Độ dày tối đa của thùng (t3)

Thông số

W/ m/0C

5

18

140

b = t1+ 0,4

2

Độ bền kéo tối đa

Chiều rộng các vùng đất vành đai khác (b2)

Gang thép

Chiều rộng của các vùng đất vành đai khác thay đổi từ

Thiết kế1 - Kích thước = ``

Độ dày trục của vòng (t2)

b =

Độ dày tối đa của thùng (t3)

130

3

Tỉ trọng

Mô đun đàn hồi

MPa

2,5

MPa

Ứng suất cho phép đối với Gang (theo sổ dữ liệu thiết kế) = 82,0 đến 100 N/mm2

100×103

Kích thước tính bằng mm

=

7200 Kg/m3

4

6

Tỷ lệ Poisson

MPa

Ở đâu,

Đường kính xi lanh/đường kính ngoài của piston (D)

Đơn vị

11.4

0,1×10-6

100

Hệ số giãn nở nhiệt

0,27

1

2 Ứng suất nhiệt,

6t= E* Hệ số giãn nở nhiệt*Nhiệt độ Sự khác biệt

3 Ứng suất cơ nhiệt,

6tm= 6b+6t

4 Thông số thiết kế piston: S Không

6b= 3pD2

16 tH2

1 Căng thẳng lên Piston Crown

TÍNH CỨNG

5 Tính chất vật liệu của vật liệu Piston

2321-6441 Trang web: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm

6

Trang 4

7 Phân tích Piston

6 Thiết kế Piston

Trang 4

Piston được phân tích bằng cách đưa ra các ràng buộc

1 Phân tích áp suất hoặc cấu trúc

2 Điều kiện biên 3

Phân tích nhiệt 4 Phân tích cơ nhiệt

7.1 Phân tích kết cấu của Piston

Sự cháy của khí trong buồng cháy gây ra áp suất lên đầu piston

Piston được thiết kế bằng cách đưa kích thước vào phần mềm mô hình PRO-E Hình dạng của piston được thiết kế trong PRO-E được nhập vào phần mềm phân tích ở định dạng IGES Hình của piston được thiết kế dưới

đây-trong quá trình đột quỵ điện Lực áp suất sẽ được lấy làm điều kiện biên đây-trong phân tích kết cấu bằng ANSYS12 Workbench Hỗ trợ cố định

đã được đưa ra ở bề mặt của lỗ chốt Bởi vì piston sẽ di chuyển từ ĐCT sang ĐCD nhờ sự hỗ trợ cố định tại lỗ chốt Vì vậy, bất kể tải trọng nào tác dụng lên piston do nổ khí đều dẫn đến hỏng chốt piston (gây ra ứng suất uốn) Áp suất tác dụng lên piston = 5 N/mm2 như hình 7.1.1

Hình.7.1.1 Áp suất tác dụng với giá đỡ cố định

Hình 7.1.3 Đầu dò ứng suất 1 Hình.7.1.2 Ứng suất tương đương (Von-mise)

Kết quả phân tích kết cấu (áp suất) của Piston

Trang 5

Hình.7.1.4 Đầu dò ứng suất

Hình.7.1.6 Đầu dò ứng suất 4

Hình.7.2.1 Hỗ trợ cố định

Ứng suất uốn - 38,25 MPa

Hình.7.1.5 Đầu dò ứng suất 3

Ứng suất tương đương tối đa -78,56 MPa

Vật liệu dùng để thiết kế piston là gang Đối với piston bằng gang, nhiệt độ tại tâm đầu piston (TC) khoảng 425°C đến 450°C trong điều kiện đầy tải và nhiệt độ tại các mép của đầu piston (TE) khoảng 200°C đến 225°C

Ứng suất cắt - 3,45 MPa

Hình.7.2.2 Điều kiện nhiệt 7.2 Phân tích nhiệt

Trang 5

2321-6441 Trang web: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm

Trang 6

Hình.7.2.5 Tổng biến dạng Trong phân tích này, chúng tôi áp dụng cả áp suất và nhiệt độ lên piston

Nhiệt độ – (2000C-5000C)

Hình.7.2.4 Ứng suất uốn = 1,72 MPa

Áp suất- 5 N/mm2

Hình.7.2.3 Ứng suất tương đương

Hình.7.3.2 Ứng suất tương đương Hình 7.3.1 Điều kiện cơ nhiệt

7.3 Phân tích cơ nhiệt

Trang 6 Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015

Trang 7

Các giá trị ứng suất tương đương thu được thấp hơn nhiều so với giá trị cho phép là 86MPa-100MPa.

Từ kết quả so sánh trên, chúng tôi kết luận rằng kết quả phân tích và phân tích FE đối với tải trọng cơ, nhiệt và nhiệt cơ là gần như tương tự nhau Sự chênh lệch phần trăm giữa kết quả phân tích và kết quả phân tích piston là rất nhỏ Do đó thiết kế của piston là an toàn

[1] RS Khurmi và JK Gupta “Thiết kế máy” Nhà xuất bản Eurasia (pvt.) ltd Ram Nagar, New Delhi

-110055, http://www.simpopdf.com, 2005

Hình.7.3.4 Tổng biến dạng

Nghiên cứu trên kết luận rằng việc sử dụng phần mềm PRO-E để thiết kế và mô hình hóa trở nên dễ dàng hơn Ở đây vật liệu được sử dụng cho Piston là Gang vì Gang chịu được nhiệt độ cao hơn các vật liệu khác Sự phân bố nhiệt độ của piston rất quan trọng để kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ lên bộ phận nào của piston là lớn nhất Sau khi phân tích sự phân bổ nhiệt độ, kết quả cho thấy nhiệt độ tối đa ở đầu piston và nhiệt độ tối thiểu ở váy piston

Hình.7.3.3 Ứng suất uốn=39,45Mpa Nhà xuất bản vì động lực nghiên cứu

[2] SS Feng và cộng sự, Một nghiên cứu thực nghiệm và số học về tản nhiệt bằng bọt kim loại có vây dưới tác động của luồng khí tác động làm mát, Tạp chí Quốc tế về Truyền nhiệt và Khối lượng 77 (2014) 1063–1074

[3] MM Haque và cộng sự, “Ảnh hưởng của nhiệt độ quá nhiệt đến cấu trúc vi mô và tính chất của hợp kim eutectic nhôm-silic biến tính strontium” Tạp chí Công nghệ Xử lý Vật liệu 162–163 (2005) 312–316

39,18

Nhiệt độ – 2800C-5000C

Căng thẳng (MPa)

Áp lực

Cơ nhiệt

Áp suất – 5 MPa

Chất liệu – Gang

%Lỗi

28,33 39,45

Phân tích

1,72

Phân tích (MPa)

Căng thẳng của Fem

Đã tính toán

4.23

Phân tích

38,24

0,68

So sánh kết quả Phân tích và Phân tích FE cho piston

36,62

8 SO SÁNH KẾT QUẢ

9 KẾT LUẬN

NGƯỜI GIỚI THIỆU

2321-6441

Trang web: http://www.ipasj.org/IIJME/IIJME.htm

Trang 8

Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015 Trang 8

Tạp chí Quốc tế Cơ học, Số 4, Tập 7, 2013, trang 467-474.

[7] AR Bhagat và cộng sự, Phân tích nhiệt và tối ưu hóa Piston động cơ IC sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí quốc tế về nghiên cứu kỹ thuật hiện đại (IJMER) www.ijmer.com Tập 2, Số 4, tháng 7-tháng 8 năm 2012 trang- 2919-2921

[8] Vinay V Kuppast và cộng sự, “Phân tích nhiệt của Piston về ảnh hưởng đến chuyển động thứ cấp”, Tạp chí Quốc tế

về Nghiên cứu và Ứng dụng Kỹ thuật (IJERA) ISSN: 2248-9622, Tập 3, Số 3, tháng 5-tháng 6 năm 2013, trang 1402-1407 [9] Bhaumik Patel, Ashwin Bhabhor (2012) “phân tích nhiệt của piston của máy nén khí pittông” IJAERS,

[5] MX Calbureanu và cộng sự, “Phân tích phần tử hữu hạn về sự phân bố ứng suất nhiệt của đầu piston”

[6] S Srikanth Reddy và cộng sự, Phân tích nhiệt và tối ưu hóa Piston động cơ IC bằng phương pháp phần tử hữu hạn, Tạp chí quốc tế về nghiên cứu đổi mới về khoa học, kỹ thuật và công nghệ, Tập 2, Số 12, tháng 12 năm 2013, trang 7834-7843.

[4] Ajay Raj Singh và cộng sự, Tiến sĩ Pushpendra Kumar Sharma, “Thiết kế, phân tích và tối ưu hóa ba hợp kim pít-tông nhôm sử dụng FEA” Int Tạp chí Nghiên cứu và Ứng dụng Kỹ thuật, ISSN: 2248-9622, Tập 4, Số 1 Phiên bản 3, tháng

1 năm 2014, trang 94-102.

ISSN: 2249–8974, PP 73-75

Tiêu đề	Stress analysis of piston using pressure load and thermal load
Tác giả	Vaishali R. Nimbarte, S.D. Khamankar
Trường học	Rajiv Gandhi College of Engineering, Research and Technology
Chuyên ngành	Mechanical Engineering
Thể loại	Journal Article
Năm xuất bản	2015
Thành phố	Chandrapur

Định dạng
Số trang	8
Dung lượng	805,96 KB