Thiết kế, phân tích và tối ưu hóa ứng suất nhiệt cụm piston – xylanh của động cơ không trục khuỷu
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.99 MB, 124 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ, PHÂN TÍCH
VÀ TỐI ƯU HĨA ỨNG SUẤT NHIỆT
CỤM PISTON - XYLANH
CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU
SVTH: ĐẶNG XN HỊA
MSSV: 16145394
SVTH: TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
GVHD: GVC.TS NGUYỄN VĂN TRẠNG
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Sư phạm Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Tên đề tài
THIẾT KẾ, PHÂN TÍCH
VÀ TỐI ƯU HĨA ỨNG SUẤT NHIỆT
CỤM PISTON - XYLANH
CỦA ĐỘNG CƠ KHƠNG TRỤC KHUỶU
SVTH: ĐẶNG XN HỊA
MSSV: 16145394
SVTH: TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
GVHD: GVC.TS NGUYỄN VĂN TRẠNG
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Động cơ
TP. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm .....
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
1. ĐẶNG XUÂN HÒA
MSSV: 16145394
(E-mail:
Điện thoại: 0399230011)
2. TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
(E-mail: Điện thoại: 0827160610)
Ngành: Sư phạm Công nghệ Kỹ thuật ô tơ
Khóa: 2016 – 2021 Lớp: 169450A
1. Tên đề tài
THIẾT KẾ, PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HĨA ỨNG SUẤT NHIỆT
CỤM PISTON - XYLANH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU
2. Nhiệm vụ đề tài
-
Tìm hiểu về ứng suất nhiệt, tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên piston và xylanh
trong và ngoài nước.
-
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và phương pháp tính tốn ứng suất nhiệt.
-
Thiết kế mơ hình cụm piston - xylanh dùng trên động cơ không trục khuỷu phục vụ
phát điện bằng phần mềm CATIA.
-
Mô phỏng ứng suất nhiệt của cụm piston-xylanh ở các chế độ tải khác nhau và kiểm
tra bền.
-
Thiết kế cải tiến cụm piston - xylanh để giảm ứng suất nhiệt.
3. Sản phẩm của đề tài
Tập thuyết minh
4. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 02/11/2020
5. Ngày hồn thành nhiệm vụ: 25/01/2021
TRƯỞNG BỘ MƠN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS.TS Lý Vĩnh Đạt
GVC.TS Nguyễn Văn Trạng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn Động cơ
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG XUÂN HÒA
MSSV: 16145394
Hội đồng: .....
Họ và tên sinh viên: TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
Hội đồng: .....
Tên đề tài: Thiết kế, Phân tích và Tối ưu hóa Ứng suất nhiệt cụm Piston - Xylanh
của động cơ không trục khuỷu
Ngành đào tạo: Sư phạm Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV hướng dẫn: GVC.TS NGUYỄN VĂN TRẠNG
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (khơng đánh máy)
2.1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
................................................................................................................................ ..................................................
2.2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
2.3. Kết quả đạt được:
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................................................
3. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/ phân tích/ tổng hợp/ đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc
15
quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
4. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày ..... tháng 01 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Bộ mơn Động cơ
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: ĐẶNG XUÂN HÒA
MSSV: 16145394
Hội đồng: .....
Họ và tên sinh viên: TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
Hội đồng: .....
Tên đề tài: Thiết kế, Phân tích và Tối ưu hóa Ứng suất nhiệt cụm Piston - Xylanh
của động cơ không trục khuỷu
Ngành đào tạo: Sư phạm Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Họ và tên GV phản biện:................................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
6. Đánh giá:
1.
2.
Điểm
tối đa
Mục đánh giá
TT
Hình thức và kết cấu ĐATN
Điểm đạt
được
30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục
10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài
10
Tính cấp thiết của đề tài
10
Nội dung ĐATN
50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,
khoa học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/ phân tích/ tổng hợp/ đánh giá
10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc
15
quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
Khả năng cải tiến và phát triển
15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành…
5
3.
Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài
10
4.
Sản phẩm cụ thể của ĐATN
10
Tổng điểm
100
7. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày
tháng 01 năm 2021
Giảng viên phản biện
(Ký, ghi rõ họ tên)
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
Bộ môn Động cơ
XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN
Tên đề tài: Thiết kế, Phân tích và Tối ưu hóa Ứng suất nhiệt cụm Piston - Xylanh
của động cơ không trục khuỷu
Họ và tên Sinh viên: 1. ĐẶNG XUÂN HÒA
MSSV: 16145394
2. TĂNG VĂN SANG
MSSV: 16145494
Ngành: Sư phạm Công nghệ Kỹ thuật ô tô
Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện
và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ. Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo
yêu cầu về nội dung và hình thức.
Chủ tịch Hội đồng:
_______________________
___________________
Giảng viên hướng dẫn:
_______________________
___________________
Giảng viên phản biện:
_______________________
___________________
TP. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2021
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện Đồ án Tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều
sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của Q Thầy Cơ, gia đình và bạn bè.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy GVC.TS Nguyễn Văn Trạng,
giảng viên Bộ mơn Động cơ, khoa Cơ khí Động lực - người đã hướng dẫn, chỉ bảo chúng
em trong suốt quá trình làm Đồ án. Thầy đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình lựa
chọn đề tài, cung cấp tài liệu, kiểm tra theo dõi tiến độ trong q trình thực hiện để chúng
em có thể hồn thành Đồ án này.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nói chung, các Thầy Cơ trong khoa Cơ khí Động lực nói riêng
đã dạy cho chúng em những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu trong q trình
học tập và rèn luyện tại trường. Đó là nền tảng, định hướng vững chắc không chỉ giúp
chúng em hồn thành Đồ án mà cịn trong con đường nghề nghiệp sắp tới.
Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã ln tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt q trình học tập và hồn thành
Đồ án Tốt nghiệp.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày.....tháng 01 năm 2021
Nhóm sinh viên thực hiện
Tăng Văn Sang
Đặng Xuân Hòa
i
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời gian gần đây, bất chấp sự ra đời của xe hoàn toàn chạy điện, động cơ đốt
trong vẫn có thể tồn tại trong một thời gian dài nữa, như là một thành phần của xe plug-in
hybrid, xe điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện. Hiện tại, động cơ xăng
chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô trên thế giới là động
cơ chy kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là động cơ "van biến thiên", có khả năng
tăng thể tích kỳ dãn nở, giảm thể tích kỳ hút nén, được đánh giá là hiệu quả về tiết kiệm
nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%.
Tuy nhiên các nhà nghiên cứu Cơ quan không gian Đức (DLR) và Trung tâm nghiên
cứu phát triển của Toyota chưa hài lòng với mức hiệu quả nhiên liệu của động cơ Atkinson
nên đã phát triển một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Động cơ piston tự do
phát điện tuyến tính" (Free Piston Engine Linear Generator, FPEG).
Động cơ piston tự do (Free Piston Engine) và máy phát điện tuyến tính (Linear
Generator) đều khơng phải là ý tưởng mới. Năm 1959 một kiểu mẫu động cơ piston tự do
đầu tiên sản xuất khí nén và dùng khí nén để quay turbin phát điện đã được cấp bằng sáng
chế ở Đức.
Dựa trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, những cơng trình nghiên cứu đã có trên
những động cơ truyền thống, nhóm chúng em tổng hợp và chọn lọc để trình bày cơ sở lý
thuyết, phương pháp mô phỏng ứng suất nhiệt bằng phần mềm CATIA và tối ưu kết cấu
cụm piston - xylanh. Từ đó có thể góp phần cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng
loại động cơ này ở nước ta.
ii
TĨM TẮT
Trong bài nghiên cứu về:
THIẾT KẾ, PHÂN TÍCH VÀ TỐI ƯU HÓA ỨNG SUẤT NHIỆT
CỤM PISTON - XYLANH CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU.
Dựa vào các kiến thức đã học và tài liệu tham khảo về phân tích ứng suất các chi tiết của
động cơ đốt trong nói chung và động cơ khơng trục khuỷu nói riêng, chúng em tập trung
chủ yếu vào các nội dung sau :
Tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên Piston – Xylanh của động cơ đốt trong
tại Việt Nam và trên thế giới.
Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt, tính tốn ứng suất nhiệt trên Piston – Xylanh.
Thiết kế mô hình của Piston – Xylanh bằng phần mềm Catia V5R21.
Mô phỏng và đánh giá ứng suất nhiệt cụm Piston – Xylanh.
Đề xuất phương án tối ưu hóa kết cấu để giảm ứng suất nhiệt.
Hướng tiếp cận và giải quyết đồ án này chủ yếu vào việc nghiên cứu lý thuyết,
sử dụng phần mềm CATIA để thiết kế, phân tích ứng suất nhiệt của cụm piston-xylanh của
động cơ khơng trục khuỷu. Chúng em được thầy GVC.TS Nguyễn Văn Trạng cung cấp
tài liệu nghiên cứu và giải đáp những thắc mắc gặp phải trong quá trình thực hiện
để chúng em có thể hồn thành đồ án này.
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................... ii
TÓM TẮT .......................................................................................................................... iii
MỤC LỤC ..........................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ......................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH .................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ............................................................... 1
1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước ................................................................. 1
1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngồi nước ................................................................ 2
1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 3
1.3.1. Mục đích nghiên cứu. .......................................................................................... 3
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế ........................................................................ 3
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 4
1.3.4. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 4
1.3.5. Phương pháp nghiên cứu..................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT
VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH. ...................................................................................... 5
2.1. Ứng suất nhiệt của Piston-xylanh .............................................................................. 5
2.1.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt ...................................................................................... 6
2.1.2. Trao đổi nhiệt đối lưu .......................................................................................... 7
2.1.3. Trao đổi nhiệt bức xạ .......................................................................................... 8
2.2. Tính tốn trường nhiệt độ của Piston ........................................................................ 9
2.2.1. Phương trình vi phân truyền nhiệt ...................................................................... 9
2.2.1.1. Thiết lập phương trình vi phân truyền nhiệt ............................................... 9
2.2.1.2. Các phương pháp giải phương trình vi phân truyền nhiệt ........................ 12
2.2.2. Các điều kiện biên của bài tốn tính tốn trường nhiệt độ ............................... 12
iv
2.2.3. Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt
độ. ................................................................................................................................ 14
2.2.3.1. Hệ phương trình vi phân theo phương pháp phần tử hữu hạn trong lý thuyết
truyền nhiệt tĩnh. .................................................................................................... 14
2.2.3.2. Nội dung cơ bản, trình tự giải bài tốn nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu
hạn .......................................................................................................................... 15
2.3. Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt .............................................................. 18
2.4. Lựa chọn phương pháp tính tốn ............................................................................. 20
2.4.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn .. 20
2.4.2. Lựa chọn phần mềm tính tốn ........................................................................... 22
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................................. 22
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ MƠ PHỎNG ................................................................... 23
3.1. Quy trình thiết kế cụm Piston – Xylanh bằng module Part Design trong CATIA .. 23
3.1.1. Thiết kế Piston................................................................................................... 23
3.1.1.1. Thông số kết cấu của Piston ..................................................................... 23
3.1.1.2. Quy trình thiết kế ...................................................................................... 23
3.1.2. Thiết kế Xylanh – nắp máy ............................................................................... 28
3.1.2.1. Thông số kết cấu của Xylanh - nắp máy................................................... 28
3.1.2.2. Quy trình thiết kế ...................................................................................... 28
3.2. Xây dựng mơ hình tính tốn .................................................................................... 40
3.2.1. Thiết lập bài tốn, xây dựng mơ hình hình học ................................................ 40
3.2.2. Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính tốn ...................................... 41
3.2.2.1. Các giả thiết .............................................................................................. 41
3.2.2.2. Các điều kiện biên..................................................................................... 42
3.3. Quy trình phân tích ứng suất bằng module Generative Structural Analysis trong
CATIA ............................................................................................................................ 48
3.3.1. Quy trình chung................................................................................................. 48
3.3.2. Quy trình phân tích ứng suất nhiệt trong môi trường Generative structural
analysis của CATIA .................................................................................................... 48
3.3.2.1. Quy trình phân tích ứng suất nhiệt của Piston .......................................... 48
3.3.2.2. Quy trình phân tích ứng suất nhiệt ống lót xylanh. .................................. 53
v
3.3. Kết quả phân tích ..................................................................................................... 54
3.3.1. Kết quả phân tích của piston ............................................................................. 54
3.3.1.1. Phân bố nhiệt độ ....................................................................................... 54
3.3.1.2. Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với các chế độ tải khác nhau .... 55
3.3.1.3. Biến dạng tổng thể .................................................................................... 58
3.3.1.4. Biến dạng ở các chế độ tải ........................................................................ 59
3.3.1.5. So sánh giữa ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học ....................................... 59
3.3.1.6. Phân tích mỏi ............................................................................................ 61
3.3.2. Kết quả phân tích của ống lót xylanh ................................................................ 62
3.3.2.1. Kết quả phân tích ứng suất ....................................................................... 62
3.3.2.2. Kết quả phân tích biến dạng của ống lót................................................... 64
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................................. 65
CHƯƠNG 4. CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON ......................................................... 66
4.1. Cải tiến chốt piston .................................................................................................. 66
4.1.1. Cải tiến đường kính chốt piston ........................................................................ 66
4.1.2. Cải tiến độ dày thành chốt................................................................................. 68
4.2. Cải tiến đỉnh Piston ................................................................................................. 70
4.2.1. Thiết kế lại đỉnh Piston và kiểm nghiệm ứng suất nhiệt ................................... 70
4.2.1.1. Thiết kế lại đỉnh Piston ............................................................................. 70
4.2.1.2. Kiểm nghiệm ứng suất nhiệt ..................................................................... 72
4.3. Mơ hình Piston đã cải tiến chốt và đỉnh .................................................................. 73
4.4. Khảo sát sự giảm khối lượng đến ứng suất nhiệt .................................................... 75
4.4.1. Quy trình tối ưu hóa khối lượng Piston trong CATIA ...................................... 76
4.4.2. Kết quả khảo sát ................................................................................................ 78
4.3.1. Bản vẽ chi tiết Piston đã được cải tiến .............................................................. 78
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................................. 80
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................ 81
5.1. Kết luận ................................................................................................................... 81
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................. 81
5.3. Hướng phát triển của đề tài ..................................................................................... 82
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 83
vi
PHỤ LỤC........................................................................................................................... 85
Phụ lục 1. Giới thiệu phần mềm Catia ........................................................................... 85
1.1. Lịch sử ra đời và các tính năng của phần mềm Catia .......................................... 85
1.1.1. Lịch sử ra đời Catia ...................................................................................... 85
1.1.2. Tính năng của phần mềm Catia ................................................................... 85
1.2. Thiết kế chi tiết 3D trong modul part design ...................................................... 90
1.3. Trình ứng dụng lắp ráp asembly design ............................................................... 92
3.1.3.1. Tính năng của Assembly Design .............................................................. 92
3.1.3.2. Phương pháp, trình tự thiết kế bản vẽ lắp trong Assembly Design .......... 93
Phụ lục 2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong CAE ........................................ 94
2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn FEM là gì ............................................................ 94
2.2. Lịch sử ra đời và phát triển .................................................................................. 95
2.3. Ứng dụng .............................................................................................................. 96
2.4. Các khái niệm cơ bản ........................................................................................... 97
2.5. Các loại phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................... 99
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
FPEG: Free Piston Engine Generaror
PTHH: phần tử hữu hạn
SPHH: sai phân hữu hạn
PTB: phần tử biên
CAE: Computer-Aided Engineering
FEM: Finite Element Method
FEA: Finite Element Analysis
PEO: Product Engineering Optimizer
𝜆: hệ số dẫn nhiệt (W/moK)
F: diện tích bề mặt đẳng nhiệt (m2)
𝜕𝑡
𝜕𝑛
: gradian nhiệt độ
q: mật độ dòng nhiệt (W/m2)
Q: dòng nhiệt (W)
c: nhiệt dung riêng (J/kg.độ)
: mật độ (kg/m3)
T: nhiệt độ (K)
t: ứng suất nhiệt (MPa)
E: modue Young (GPa)
hệ số Poisson
G: mô đun đàn hồi khi trượt của vật liệu (GPa)
Cm: tốc độ trung bình của piston (m/s)
Vh: thể tích cơng tác của xylanh (m3)
D: đường kính xylanh (m)
S: hành trình piston (m)
n: tốc độ quay trục khuỷu (v/p)
ϕ là góc quay của trục khuỷu (rad/s)
τ: số kỳ
P0: áp suất đường nén thuần túy khơng có q trình cháy (N/m2)
viii
Cu là tốc độ xốy lốc của mơi chất trong xylanh (m/s)
𝛼𝛴 : Hệ số trao đổi nhiệt tựa tĩnh
𝑇𝛴 : Nhiệt độ tương đương (K)
tH: bề dày đỉnh Piston (mm)
Pmax: áp suất lớn nhất tác dụng lên Piston (N/mm2)
tH: bề dày đỉnh Piston (mm)
k: ứng suất kéo cho phép đối với vật liệu làm Piston (N/mm2)
Pw: áp suất của nhiên liệu lên thành xylanh (N/mm²)
t1: Độ dày hướng tâm của rãnh xéc măng (mm)
t2: Chiều dày hướng trục của rãnh xéc măng (mm)
b1: Chiều rộng phần đầu piston (mm)
b2: Chiều rộng phần xéc măng (mm)
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Phân tố vật thể ..................................................................................................... 10
Hình 2.2 Hệ toạ độ trụ........................................................................................................ 11
Hình 2.3 Các dạng phần tử hữu hạn .................................................................................. 16
Hình 3.1 Thơng số kết cấu của Piston ............................................................................... 23
Hình 3.2 Thơng số kết cấu của Xylanh - nắp máy............................................................. 28
Hình 3.3 Phân bố nhiệt độ trên Piston ............................................................................... 41
Hình 3.4 Nhiệt độ trên các vùng của Piston và xylanh ...................................................... 46
Hình 3.5 Các vị trí của Piston và thành Xylanh được lấy nhiệt độ ................................... 47
Hình 3.6 Sự phân bố nhiệt độ trên đỉnh piston .................................................................. 54
Hình 3.7 Sự phân bố nhiệt độ ở mặt bên piston................................................................. 55
Hình 3.8a Ứng suất nhiệt ở chế độ 100% tải khi nhìn từ đáy piston ................................. 55
Hình 3.8b Ứng suất nhiệt ở chế độ 100% tải tại mặt cắt chốt ........................................... 55
Hình 3.9a Ứng suất nhiệt ở chế độ 75% tải khi nhìn từ đáy piston ................................... 57
Hình 3.9b Ứng suất nhiệt ở chế độ 75% tải tại mặt cắt chốt ............................................. 57
Hình 3.10a Ứng suất nhiệt ở chế độ 50% tải khi nhìn từ đáy piston ................................. 57
Hình 3.10b Ứng suất nhiệt ở chế độ 50% tải tại mặt cắt chốt ........................................... 57
Hình 3.11a Ứng suất nhiệt ở chế độ 0% tải khi nhìn từ đáy piston ................................... 58
Hình 3.11b Ứng suất nhiệt ở chế độ 0% tải tại mặt cắt chốt ............................................. 58
Hình 3.12 Biến dạng tổng thể của piston ........................................................................... 58
Hình 3.13 Biến dạng của piston ở chế độ 100% tải ........................................................... 59
Hình 3.14 Ứng suất tác dụng lên Piston bởi lực khí thể .................................................... 60
Hình 3.15 Ứng suất do tải trọng kết hợp Cơ-Nhiệt tác dụng lên piston ............................ 61
Hình 3.16 Biến dạng do tải trọng kết hợp Cơ-Nhiệt.......................................................... 61
Hình 3.17 Ứng suất nhiệt của xylanh ở chế độ 100% tải .................................................. 62
x
Hình 3.18 Ứng suất nhiệt của xylanh ở chế độ 75% tải .................................................... 63
Hình 3.19 Ứng suất nhiệt của xylanh ở chế độ 50% tải .................................................... 63
Hình 3.20 Ứng suất nhiệt của xylanh ở chế độ 0% tải ...................................................... 64
Hình 3.21 Biểu đồ biến dạng lớn nhất của ống lót ở các chế độ tải .................................. 64
Hình 4.1 Ứng suất nhiệt của Piston khi tăng đường kính chốt lên 9,0mm ........................ 67
Hình 4.2 Ứng suất nhiệt của Piston khi tăng đường kính chốt lên 9,8mm ........................ 67
Hình 4.3 Biểu đồ ứng suất nhiệt lớn khi tăng đường kính chốt ......................................... 67
Hình 4.4 Ứng suất nhiệt sau khi tăng bề dày thành chốt lên 2,5 mm ................................ 68
Hình 4.5 Ứng suất nhiệt khi tăng bề dày chốt lên 2,9 mm ................................................ 69
Hình 4.6 Biểu đồ tương quan giữa độ dày thành chốt và ứng suất .................................... 69
Hình 4.7 Kích thước của Piston sau khi tính tốn ............................................................. 72
Hình 4.8 Ứng suất nhiệt phân bố trên Piston sau khi thiết kế lại đỉnh .............................. 72
Hình 4.9a Ứng suất tại đỉnh ban đầu ................................................................................. 73
Hình 4.9b Ứng suất tại đỉnh sau khi thiết kế lại ............................................................... 73
Hình 4.10 Ứng suất nhiệt của Piston sau khi đã được cải tiến ở chế độ 100% tải ............ 73
Hình 4.11 Biểu đồ so sánh ứng suất lớn nhất của Piston trước và sau khi cải tiến ở các chế
độ tải................................................................................................................................... 74
Hình 4.12 Biểu đồ so sánh ứng suất nhiệt của Piston trước và sau khi cải tiến ở chế độ
100% tải ............................................................................................................................. 74
Hình 4.13 Biểu đồ so sánh biến dạng lớn nhất của Piston trước và sau khi cải tiến ở các
chế độ tải ............................................................................................................................ 75
Hình 4.14 Biểu đồ khảo sát ảnh hưởng của khối lượng đến ứng suất nhiệt lớn nhất của
Piston ở các chế độ tải........................................................................................................ 78
Hình PL1.1 Mơ đun chính của Catia ................................................................................. 86
Hình PL1.2 Mơ hình tạo bằng Mechanical Design ........................................................... 86
Hình PL1.3 Mơ hình tạo bằng Shape Design and Styling ................................................. 87
xi
Hình PL1.4 Mơ hình vật thể và mơ phỏng động học ......................................................... 87
Hình PL1.5 Thể hiện sự mơ tả tính chất vật lý của vật liệu............................................... 88
Hình PL1.6 Thể hiện modul trong Catia............................................................................ 88
Hình PL1.7 Thể hiện modul phay trong Catia ................................................................... 88
Hình PL1.8 Mơ phỏng hoạt động trong Catia ................................................................... 89
Hình PL1.9 Mơ hình thể hiện khả năng thiết kế đường ống.............................................. 89
Hình PL1.10 Mơ hình tạo bằng Structural design and stellwak ........................................ 89
Hình PL1.11 Màn hình giao diện sketch ........................................................................... 90
Hình PL 1.12 Mơi trường làm việc Part Design ................................................................ 90
Hình PL1.13 Dựng khối trong Catia .................................................................................. 91
Hình PL1.14 Tạo chi tiết bằng lệnh Multi-Section Solid .................................................. 91
Hình PL1.15 Mơ tả thuật tốn Surface .............................................................................. 92
Hình PL1.16 Tạo gân chịu lực bằng lệnh Stiffener ........................................................... 92
Hình PL1.17 Mơi trường làm việc Assembly Design ....................................................... 93
Hình PL1.18 Ràng buộc đối tượng đồng trục .................................................................... 93
Hình PL1.19 Ràng buộc đối tượng tiếp xúc ...................................................................... 94
Hình PL1.20 Ràng buộc khoảng cách ............................................................................... 94
Hình PL2.1 Phần tử hữu hạn trong CAE ........................................................................... 95
Hình PL2.2 Phân tích ứng suất bằng FEM ........................................................................ 97
Hình PL2.3 Phương pháp AEM ......................................................................................... 99
xii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu của Piston và Xylanh .............................................................. 43
Bảng 3.2 Nhiệt độ môi trường và hệ số trao đổi nhiệt của Piston và Xylanh ................... 46
Bảng 3.3 Nhiệt độ thực nghiệm ......................................................................................... 47
Bảng 3.4 So sánh ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học tác dụng lên Piston ......................... 60
xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Trong động cơ nói chung và động cơ khơng trục khuỷu nói riêng, cụm Piston - xylanh
là thành phần quan trọng. Sự làm việc của piston trong xylanh ảnh hưởng nhiều đến tình
trạng hoạt động của động cơ. Piston là thành phần chuyển động được chứa bởi một xylanh
và được làm kín khí bởi các xéc-măng. Trong động cơ này, mục đích của nó là truyền lực
từ khí nở ra trong xylanh đến cụm phát điện.
Piston chịu đựng tải trọng nhiệt, áp suất khí theo chu kỳ và lực quán tính khi làm việc,
những điều kiện làm việc khắc nghiệt này có thể gây ra hư hỏng do mỏi của piston, chẳng
hạn như mòn mặt piston, nứt đầu piston, v.v. Tương tự piston, xylanh chịu nhiệt độ cao và
biến thiên không đều, vùng trên chịu nhiệt độ cao hơn vùng dưới và thay đổi trong một chu
kỳ; chịu ma sát lớn, đặc biệt đối với động cơ cao tốc, sản vật cháy chứa các chất ăn mịn,...
Vì vậy cần phải tối ưu hóa thiết kế của piston và xylanh bằng cách xem xét các thông số
khác nhau. Trong đồ án này, chúng em xác định các tính tốn ứng suất khác nhau bằng
cách sử dụng Phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích nhiệt. Từ đó có thể tìm ra các khu
vực khác nhau nơi có khả năng gây hư hỏng cụm piston - xylanh. Sau khi phân tích, ta dễ
dàng cải tiến thiết kế của cụm piston - xylanh sao cho phù hợp với điều kiện làm việc. Việc
phân tích, cải tiến thiết kế của piston sử dụng các phần mềm chuyên dụng giúp tiết kiệm
chi phí và thời gian rất nhiều.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước
Bài báo “Tính tốn biến dạng của ống lót xylanh động cơ 6ч12/14 bằng phương pháp
phần tử hữu hạn” [1] của nhóm tác giả Đào Trọng Thắng, Trần Nhật Quang, Nguyễn Lê
Văn, Phùng Văn Được đến từ Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tác giả xác định một nội dung
quan trọng khi tính tốn thiết kế, chế tạo ống lót xylanh động cơ là phải xác định được các
lực tác dụng lên ống lót cũng như biến dạng của ống lót khi làm việc. Bài báo này trình
bày các kết quả tính tốn sự biến dạng của ống lót xylanh động cơ 6Ч12/14 bằng phương
pháp phần tử hữu hạn khi ứng dụng phần mềm ANSYS.
Bài báo khoa học “Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ
d12 bằng phương pháp phần tử hữu hạn” [2] của tác giả Nguyễn Bá Hữu, Qch Hồi
Nam đăng trên Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014. Bài báo này trình bày
1
kết quả ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ phần mềm ADAMS và
ANSYS để xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12, loại 195S. Từ các
thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ bốn kỳ sử dụng phần mềm ADAMS mơ phỏng
trên máy, tạo mơ hình hình học để xác định các thông số động lực học của cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền, tính tốn lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston, xác định lực tác dụng
lên cổ khuỷu ở một số tốc độ quay khác nhau của động cơ. Sau khi tính tốn đầy đủ các
thơng số đầu vào, tác giả xây dựng mơ hình tính trên cơ sở áp dụng phương pháp phần tử
hữu hạn (Sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định trường ứng suất trên trục khuỷu.
Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ứng suất nhiệt của Piston động cơ M504 khi lắp thay
cho động cơ M503A trên tàu cảnh sát biển” [3] của tác giả Nguyễn Mạnh Khương năm
2005. Tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết của bài toán xác định ứng suất nhiệt và các
phương pháp tính, xây dựng mơ hình tính toán ứng suất nhiệt của piston sử dụng phần mềm
ANSYS.
1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngồi nước
Có rất nhiều cơng trình nghiên cứu, các bài báo khoa học trình bày về phân tích ứng
suất, biến dạng và tối ưu hóa kết cấu piston, xylanh. Dưới đây là một vài công trình tiêu
biểu có liên quan tới nghiên cứu của nhóm:
Bài báo khoa học “Design and analysis of i.c. engine piston and piston-ring on
composite material using Creo and Ansys software” [4] của tác giả K. SathishKumar đăng
trên tạp chí Journal of Engineering andScience Vol. 01, Special Issue 01, July 2016. Trong
bài báo này, sự phân bố ứng suất được đánh giá trên piston của động cơ bốn kỳ bằng cách
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA). Phân tích trường nhiệt độ được thực hiện để
tính tốn ứng suất và độ võng do tải nhiệt và áp suất khí thể. Các ứng suất này sẽ được tính
tốn cho hai vật liệu khác nhau này là hợp kim nhôm và vật liệu composite ZrB2 được gia
cường SiC. Kết quả được so sánh cho cả hai vật liệu và vật liệu tốt nhất được đề xuất. Thiết
kế của tác giả có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), phần mềm CREO sẽ phát triển mơ hình
kết cấu của piston, việc phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện bằng phần mềm ANSYS.
Báo cáo khoa học “Design Analysis and Optimization of Piston using CATIA and
ANSYS” [5] của các tác giả Ch.Venkata Rajam, P.V.K.Murthy, M.V.S.Murali Krishna,
G.M.Prasada Rao đăng trên International Journal of Innovative Research in Engineering &
Science năm 2013. Bài báo phân tích sự phân bố ứng suất trong các bộ phận khác nhau của
2
piston, để biết ứng suất do áp suất khí thể và sự thay đổi nhiệt bằng phần mềm Ansys. Từ
đó thiết kế, phân tích và tối ưu hóa piston bền hơn, nhẹ hơn với chi phí tối thiểu và ít thời
gian hơn. Piston của động cơ được thiết kế bằng cách sử dụng phần mềm CATIA V5R16,
phân tích và tối ưu hóa bằng phần mềm ANSYS 11.0.
Bài báo “The finite element analysis of the thermal stress distribution of a piston
head” [6] của M.X. Calbureanu, R. Malciu, D. Tutunea, A. Ionescu and M. Lungu đăng
trên International Journal of Mechanics. Tác giả dùng các cơng cụ kỹ thuật hỗ trợ của máy
tính để thiết kế (CAD) sản phẩm và phân tích (CAE) các thiết kế này về ứng suất dư, phản
ứng cấu trúc, hiệu ứng nhiệt, xử lý trước và xử lý sau mỏi trên các chi tiết của ơ tơ. Mục
đích chính của các phân tích sơ bộ được trình bày trong bài báo là để so sánh hoạt động
của piston động cơ đốt trong được làm bằng hợp kim nhôm. Bài báo mơ tả việc tối ưu hóa
lưới bằng cách sử dụng kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn để dự đoán ứng suất cao hơn
và vùng tới hạn trên chi tiết.
Luận văn thạc sĩ “Designing and modeling of piston in combustion engines”
của Jaume Anguera Llort đến từ Cracow University of Technology. Mục đích
của luận văn này là thiết kế và tính tốn một piston cho động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn.
Bằng việc dùng phần mềm Ansys tác giả đã phân tích được ứng suất và biến dạng của
piston do tải trọng nhiệt và tải trọng cơ học ở ở những vùng khác nhau. Từ đó đề xuất
phương án tối ưu hóa hình dạng để có được một piston được tính tốn rất kỹ và đáp ứng
tốt nhất có thể với thực tế.
1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Mục đích nghiên cứu.
Thiết kế và phân tích ứng suất trên cụm piston - xylanh của Máy phát điện tuyến tính
động cơ Piston tự do (Free Piston Engine Generator). Trên cơ sơ kết quả phân tích, đề xuất
phương án tối ưu hóa kết cấu, hình dạng của piston để phù hợp với yêu cầu làm việc của
động cơ.
1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế
Cụm piston-xylanh của Máy phát điện tuyến tính dùng động cơ piston tự do.
3
