Stress analysis of piston using pressure load and thermal load (1)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (805.96 KB, 8 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="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 cơng 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-tơng là bộ phận phức tạp và quan trọng nhất, do đó, để xe vận hành trơn tru, pít-tơng 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 đốn 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 khơng dễ dàng có được. Mơ hình CAD được tạo bằng phần mềm PRO-E. Mơ 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: ISSN
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 tốn ứng suất khác nhau bằng cách sử dụng phân tích áp suất, phân tích nhiệt và phân tích cơ nhiệt để chúng tơi 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 nhơm 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 trị 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-tơng bằng gang, nhiệt độ tại tâm đầu pít-tơng (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.
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="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 vịng (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 vịng 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 qn 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 mịn q mức. •
Nó phải có chuyển động qua lại tốc độ cao mà khơng 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 tốn phân tích được thực hiện cho piston gang. Để thực hiện tính tốn phân tích, các đặc tính vật liệu và thơng 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 tốn 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 cơng thức ̋ ̈ ́́́́/ (Xăng – ̋̂ ) ̜ . = Trong
đó, P= áp suất tối đa tính bằng N/mm2
D= lỗ xi lanh/đường kính ngồi của piston tính bằng mm. ft = ứng suất kéo cho phép của vật liệu làm piston.
Độ dày trục tối thiểu (t2)
3. TÍNH TỐN PHÂN TÍCH CHO PISTON
Trang 2Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">́ ́ ́ ́ ́ ́ ́ .
b = Độ sâu hướng kính của rãnh vịng piston
Độ dày xuyên tâm của vòng (t1) --Chiều dài của Piston(L) (vii). Độ dày tối đa của thùng (t3)
Độ dày tối đa của thùng (t3) Nhà xuất bản vì động lực nghiên cứu...
6t= E* Hệ số giãn nở nhiệt*Nhiệt độ. Sự khác biệt 3. Ứng suất cơ nhiệt,
5. Tính chất vật liệu của vật liệu Piston
Email: ISSN 2321-6441
Trang web: class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">
Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015 7. Phân tích Piston
6. Thiết kế Piston
Trang 4
Piston được phân tích bằng cách đưa ra các ràng buộc1. 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 mơ 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 dị ứng suất 1 Hình.7.1.2 Ứng suất tương đương (Von-mise)
Kết quả phân tích kết cấu (áp suất) của Piston
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">Ứng suất tương đương tối đa -78,56 MPa
Nhà xuất bản vì động lực nghiên cứu...
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.
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">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 6Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="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, , 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 mơ 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 mơ 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
NGƯỜI GIỚI THIỆU
Trang web: class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">
Tập 3, Số 8, tháng 8 năm 2015Trang 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.
