Tiểu luận Đề tài tính toán và kiểm bền xupap trong Động cơ Ô tô dựa trên phần mềm heyperwork

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI TIỂU LUẬN ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN XUPAP TRONG ĐỘNG CƠ Ô TÔ DỰA TRÊN PHẦN MỀM HEYPERWORK... Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH là m

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI



TIỂU LUẬN

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN XUPAP TRONG ĐỘNG CƠ Ô

TÔ DỰA TRÊN PHẦN MỀM HEYPERWORK.

Học viên: HOÀNG TRUNG HIẾU Lớp: CAO HỌC CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Khoá: 12

Mã sinh viên: 2022700096

GV hướng dẫn: T.S NGUYỄN ANH NGỌC

Năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người nghiên cứu kỹthuật phải thực hiện những bài toán kỹ thuật, những đề án ngày càng phức tạp, đòihỏi độ chính xác và an toàn cao

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một trong những phương pháp phổbiến và hiệu quả nhất trong việc giải các bài toán kỹ thuật phức tạp Phương phápnày cho phép tính toán các trạng thái ứng dụng, biến dạng và các tính chất vật lýkhác của các kết cấu và hệ thống kỹ thuật khác, bao gồm cả các bài toán lý thuyếttrường như cơ học kết cấu, điện tử , nhiệt động học, động lực học, cơ học chất thải

và nhiều lĩnh vực khác nhau Sử dụng PTHH, các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thểtạo ra các mô hình toán học cho các kết cấu và hệ thống kỹ thuật khác, và sau đó

sử dụng các phần mềm tính toán để giải quyết các phương án dự án toán học vỗnhẹ Với sự tiến bộ của công nghệ thông tin, việc áp dụng PTHH trong việc giảiquyết các bài toán kỹ thuật ngày càng trở nên dễ dàng hơn Nó đã được tích hợpvào các phần mềm tính toán hiện đại, cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu thựchiện các tính toán và mô phỏng nhanh chóng và chính xác

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS,MODULLEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF Hyperworks v.v Trong đó

có phần mềm Hyperworks là một trong nhiều chương trình phần mềm công nghiệp

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) để phântích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đàotạo hàm riêng từ dạng giải tích số, với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa vềdạng gần đúng để giải

Nội dung tiểu luận này sử dụng phương pháp PTHH để giải một số bài tập

trong tài liệu Daryl Logan First Course in the Finite Element Method, Fourth

Edition, và sử dụng phần mềm Hyperwork để kiểm bền xupap.

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành tiểu luận do kiến thức còn hạn chếnên bài tiểu luận còn nhiều thiếu sót, e mong nhận được sự góp ý của thầy để tiểuluận này được hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYPERWORK ĐỂ

1.1 Tổng quan cơ cấu xupap

1.1.1 Sơ đồ cấu tạo

Sơ đồ cấu tạo cơ cấu phối khí VVT-i

1 Trục khuỷu; 2 Đĩa xích cam; 3 Xích cam; 4 Trục cam nạp; 5.Xupap nạp;

6.Trục cam xả; 7.Xupap xả;

1.1.2 Phân loại

Các loại cơ cấu phối khí

Có nhiều loại cơ cấu phối khí khác nhau, tùy theo vị trí và số lượng trụccam

Loại 1: DOHC ( Trục cam kép đặt trên)

Hình 1 1 Cơ cấu phối khí VVT – i

Loại này bao gồm 2 trục cam, và mỗi trục cam dẫn động trực tiếp cácxupap, đảm bảo chuyển động chính xác của các xupap.

Loại 2: DOHC loại gọn

Loại này bao gồm 2 trục cam, trọng đó một trục cam được vận hành bằng một

bộ bánh răng Cấu tạo của nắp quy lát đơn giản hơn và gọn hơn so với kiểu DOHCthông thường

Hình 1 2 Cơ cấu phối khí loại DOHC ( Trục cam

kép đặt trên)

1 Dây đai cam; 2 Bánh răng cắt kéo; 3 Trục cam

Loại 3: OHC (trục cam đặt trên)

Loại này dùng 1 trục cam để vận hành tất cả các xupap thông qua cò mổ

Hình 1 3 DOHC loại gọn

Hình 1 4 OHC (trục cam đặt trên)

Loại 4: OHV (Xupap treo)

Loại này có một trục cam bên trong thân máy và cần có đũa đẩy và cò mổ để mở

Hình 1 5 OHV (Xupap treo)

Hệ thống đóng và mở xupap: Chuyển động quay của trục khuỷu được chuyềncho trục cam thông qua xích cam là quay trục cam Số răng của đĩa xích của trụccam bằng hai lần số răng của đĩa trên trục khuỷu, vì thế, trục khuỷu quay hai vòngthì trục cam quay một vòng Khi trục cam quay, các cam sẽ đóng mở các xupap.

1.2.4 Cấu tạo các chi tiết chính

a Xupap:

Trong kỳ nạp, xupap nạp mở để hút hỗn hợp không khí nhiên liệu vào

Trong kỳ xả, xupap xả mở để xả khí xả ra

Cả hai loại xupap đều đóng trong kỳ nén và kỳ nổ để giữ kín buồng đốt

Vì xupap phải chịu nhiệt độ và áp suất cao nên chúng được chế tạo bằng kimloại đặc biệt

Nói chung, để tăng lượng khí nạp, xupap nạp có đường kính lớn hơn xupap xả

Để giữ cho van kín khí, góc mặt xupap thường là 44,5 độ hoặc 45,5 độ

Các xupap được đóng lại bằng lò xo, và nhờ hoạt động của cam mà chúngđược đẩy xuóng theo bạc dẫn hướng ở trong nắp quy lát

Hình 1 6 Mô tả quá trình làm việc của Xupap

Hình 1 7 Cấu tạo Xupap

b Lò xo xupap

Lò xo xupap là loại lò xo trụ, có sức căng tác dụng theo hướng đóng xupap.Phần lớn động cơ đề có một lò xo cho mỗi xupap Tuy nhiên, một số loạiđộng cơ lại sử dụng hai lò xo cho mỗi xupap

Để ngăn ngừa hiện tượng giao động của xupap khi động cơ chay với tốc độcao, người ta sử dụng lò xo có bước không đồng đều hoặc hai lò xo cho mỗi xupap

c Đế xupap

Đế xupap được lắp ép vào nắp quy lát Khi xupap đóng, mặt xupap và đếxupap được ép khít với nau, giữ kín khí cho buồng đốt Đế xupap cũng có tác dụngtruyền nhiệt từ xupap sang nắp quy lát, làm mát xupap

Vì đế xupap phải chịu nhiệt độ cao của khí nổ và phải tiếp xúc lặp lại nhiềulần với xupap nên nó được chế tạo bằng kim loại có độ chịu nhiêt và chịu mài mònlại hoặc thay thế

Trong những năm gần đây, tia laze được sử dụng để đắp một lớp hợp kimchịu mài mòn trực tiếp lên nắp quy lát để làm đế xupap, tạo ra kiểu nắp quy látkhối đơn ở một số động cơ Với kiểu đế xupap này thì không thể thay đế xupap

d Bạc dẫn hướng xupap và phớt dầu

Bạc dẫn hướng xupap thường được làmbằng gang và được lắp ép vào nắp quy lát

Nó có tác dụng dẫn hướng chuyển độngcho xupap, đảm bảo cho đế xupap và mặtxupap chồng khít với nhau

Bề mặt tiếp xúc của bạc dẫn hướng vàthân xupap được bôi trơn bằng dầu động

cơ Để dầu thừa không lọt vào buồngcháy, đầu trên của bạc dẫn hướng có lắpphớt dầu bằng cao su

Hình 1 8 Cấu tạo lò xo

Hình 1 9 Bạc dẫn hướng xupap và phớt dầu

1.2 Tạo mô hình nghiên cứu

1.2.1 Giới thiệu chung

HyperWorks là nền tảng mô phỏng có kiến trúc mở toàn diện nhất cung cấpcác công nghệ hàng đầu để thiết kế và tối ưu các sản phẩm một cách sáng tạo và cóhiệu quả HyperWorks bao gồm các công cụ mô hình hóa phần tử hữu hạn, phântích và tối ưu hóa các cấu trúc, lưu chất, hệ đa vật thể, điện từ và vị trí ăng-ten,phát triển các mô hình cơ sở, phân tích các hệ đa môi trường Người dùng có toànquyền truy cập vào một loạt các giải pháp của Altair như giải pháp thiết kế, cácgiải pháp kỹ thuật, hiển thị, giải pháp quản lý dữ liệu từ Altair và các đối tác Phiên

Hình 1 10 Một số loại móng hãm

bản HyperWorks 2017 cung cấp nhiều chức năng mới trong các lĩnh vực như pháttriển mô hình, điện từ, các cấu trúc đa vật liệu, các hệ đa vật thể và đa ngành, cácgiải pháp tối ưu hóa thiết kế Phiên bản HyperWorks 2017 cung cấp một số sảnphẩm mới như: SolidThinking Activate, SolidThinking Compose và SolidThinkingEmbed cho lĩnh vực phát triển mô hình cơ sở, Flux, FEKO và Winprop trong lĩnhvực điện từ, Multiscale Designer và SolidThinking Click2Extrude trong lĩnh vựcphát triển vật liệu và sản xuất.

Hình 1 11 Logo phần mềm HyperWorks

HyperMesh

Bộ tiền xử lý mô hình phần tử hữu hạn hiệu suất cao Môi trường tương tác trựcquan giúp phân tích thiết kế sản phẩm hiệu quả Bộ giao diện liên kết trực tiếp vớicác phần mềm CAD như NX, Proe, Catia V4/V5, Solidworks,Tribon hoặc các địnhdạng dữ liệu công nghiệp như IGES, Parasolid, JT, STEP và các phần mềm CAEthương mại hiện có như Adams, Abaqus, LS-Dyna, Moldflow, Moldex3D,Nastran, StarCD (của Siemens), Fluent (của Ansys), CFD ++ HyperMesh cungcấp bộ công cụ dễ dàng sử dụng để tạo và chỉnh sửa các mô hình CAE với nềntảng phân tích nhất quán đã được chứng minh phù hợp cho tất cả các doanh

nghiệp

Hình 1 12 Ví dụ mô phỏng trên phần mềm

1.2.2 Kích thước hình học

Sau quá trình tham khảo tài liệu, em đã chọn 1 mẫu xupap được tạo trên phầnmềm Hypermesh.

1.2.3 Mô phỏng trong phần mềm

a Khởi chạy phần mềm và chia lưới vật liệu

Hypermesh là phần mềm nặng, chạy trên hệ điều hành win 7, win 8, win 10

64 bit Để khởi động chương trình ta kích đúp chuột vào biểu tựng Hypermesh cótrên cửa sổ window, khi đó màn hình chính của phần mềm xuất hiện

Sau khi cửa sổ làm việc của phần mềm hiện ra, tại mục User Profiles ta lựachọn bộ giải Optistruct (là bộ giải cho bài toán kiểm bền) Sau khi hoàn thành, giaodiện chính của phần mềm sẽ hiện ra Khi đó, ta sẽ đưa vật liệu vào phần mềm bằngcách chọn vào phần Import Geometry nhập vật liệu Xupap vào phần mềm sau đóImport vật liệu xuất ra màn hình chính

Hình 1 13 Mẫu thử nghiệm Xupap

Để chia lưới vật liệu, trong bảng lệnh 3D ta lựa chọn Volume tetra, tại mục

Enclosed volume ta chọn Solids, để chia lưới được chính xác ta chọn kích thước

vật liệu (chọn kích thước càng nhỏ chia lưới càng chính xác) sau đó kích chuột trái

vào vật liệu, chờ cho phần mềm chia lưới cho vật liệu xong ta chọn Mesh rồi

Kết quả nhập mô hình:

Chia lưới cho vật liệu:

Trước khi chia lưới Sau khi chia lưới

b Đặt điều kiện biên

Chuột phải vào khoảng trắng như hình, chọn create >>material Tương tự, chọn các tùy chọn property, load step, load collectorLưu ý: collector sẽ tạo 2 lần

Kết quả:

Sau khi gọi các điều kiện biên, ta tiến hành nhập các thông số cho các điềukiện biên: materials, properties, load collectors, load steps.

Nhập thông số vật liệu Material:

Gán thông số vật liệu vào tính chất cho phần tử:

Gán tính chất của phân tử vào vật liệu:

Đặt Ngàm cho vật liệu Xupap:

Đặt lực cho vật liệu Xupap:

Gán Lực và Ngàm vào bài toán Kiểm bền:

Sau khi nhập xong ta chọn Optistruct để chạy chương trình, sau đó chọnResults để xem kết quả

Kết quả:

Chuyển vị

Ứng suất

Hình 1 14 Chuyển vị của vật liệu Xupap

Nhận xét:

 Chuyển vị là lớn ( > 1 mm)

 Ứng suất cực đại là 8483 Mpa

 Vượt quá ứng suất giới hạn của vật liệu

 Cần đưa ra các giải pháp tiến hành cải tiến: thay vật liệu, tăng độ dày, phân bố lại lực, …

 …

Hình 1 15 Ứng suất của vật liệu Xupap

Kết luận

Tiểu luận là kết quả nghiên cứu ban đầu về chi tiết Xupap trong hệ thốngphân phối khí xupap treo Các thông số về kết cấu của xupap được tính toán sơ bộ

và kiểm nghiệm bền bằng phần mềm Heyperwork

Kết quả tính toán, mô phỏng cho thấy sự phân bố ứng suất và biến dạng trongxupap là khá phức tạp Ứng suất và biến dạng này tăng lên trong quá trình động cơbắt đầu khởi động đến khi động cơ làm việc ổn định

Bài tiểu luận “TÍNH TOÁN VÀ KIỂM BỀN XUPAP TRONG ĐỘNG CƠ Ô TÔ DỰA TRÊN PHẦN MỀM HEYPERWORK.” em rất mong thầy xem và đóng góp

ý kiến để nội dung được hoàn thiện hơn!