CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
Ứng suất nhiệt của Piston-xylanh
Khảo sát và đánh giá trạng thái ứng suất là cần thiết để xác định tuổi thọ của động cơ Piston và xylanh chịu tác động của các ứng suất khác nhau, do đó việc phân loại và đánh giá hiệu ứng của chúng là rất quan trọng.
Các loại ứng suất trong Piston và Xylanh được phân thành hai nhóm chính dựa trên nguyên nhân gây ra ứng suất, bao gồm ứng suất cơ và ứng suất nhiệt.
Nhóm ứng suất cơ có thể chia thành:
Ứng suất cơ trong xylanh động cơ chủ yếu do áp suất khí thể tạo ra, có giá trị vượt trội so với ứng suất dư và ứng suất lắp ghép Tần số biến thiên của ứng suất này phụ thuộc vào tốc độ chu trình công tác của động cơ, trong khi giá trị của nó lại liên quan chặt chẽ đến tải trọng mà động cơ đang chịu.
Ứng suất dư (σzb) tồn tại từ giai đoạn tạo phôi, qua quá trình gia công cơ khí và cả sau khi nhiệt luyện, nhưng vẫn chưa xác định được độ lớn của nó trong các chi tiết thực Ứng suất dư có khả năng giảm xuống và cộng tác dụng với ứng suất do ngoại lực, trong những trường hợp nghiêm trọng, sự kết hợp này có thể gây ra vết nứt vi mô và nứt vỡ piston Các yếu tố như lão hóa tự nhiên và lão hóa nhân tạo cũng ảnh hưởng đến ứng suất dư Phương pháp ủ được xem là hiệu quả nhất để giảm thiểu ứng suất dư.
Ứng suất lắp ghép xuất hiện do sự chèn ép khi lắp ghép các chi tiết như chốt Piston và thanh truyền, và nó phụ thuộc vào nhiệt độ của các chi tiết, thường xuyên biến đổi theo chế độ hoạt động của động cơ Hiện nay, chưa có quan điểm thống nhất về trị số của ứng suất lắp ghép Tuy nhiên, trị số cực đại của ứng suất này so với ứng suất cơ do áp suất cháy trong xylanh và ứng suất nhiệt là tương đối nhỏ, do đó có thể bỏ qua giá trị này trong tính toán.
Ứng suất do lực quán tính của các khối lượng chuyển động
Nhóm ứng suất nhiệt có thể chia thành:
Ứng suất nhiệt tựa tĩnh xuất hiện do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ trung bình trong lòng xylanh và nhiệt độ trung bình của chất lỏng làm mát piston trong chu trình công tác.
Ứng suất nhiệt độ biến thiên, gây nên bởi sự thay đổi nhanh tải trọng bên ngoài động cơ
Ứng suất nhiệt biến thiên theo sự biến thiên nhiệt độ có tính chất chu kỳ của môi chất công tác trong xylanh
Trong các thành phần ứng suất, ứng suất nhiệt tựa tĩnh và ứng suất cơ do áp suất khí thể trong xylanh là hai yếu tố quan trọng và có ý nghĩa nhất.
Ứng suất nhiệt của Piston và xylanh trong động cơ được hình thành do sự không đồng đều về nhiệt độ trong quá trình hoạt động Để xác định trường ứng suất này, cần phân tích trường ứng suất nhiệt của Piston và xylanh trong quá trình làm việc Nhiệt độ của Piston và xylanh thay đổi liên tục do sự truyền nhiệt giữa môi chất công tác và các bộ phận này Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra phức tạp với nhiều hình thức trao đổi khác nhau cùng lúc, bao gồm ba dạng trao đổi nhiệt cơ bản.
- Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt
- Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu trong môi trường cùng một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha,…)
- Trao đổi nhiệt bức xạ
2.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt
Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt qua chuyển động của các phần tử, với kim loại thực hiện dẫn nhiệt qua chuyển động của các điện tử tự do Trong chất lỏng và chất rắn, dẫn nhiệt diễn ra nhờ sự chuyển động của các nguyên tử và phân tử lân cận, trong khi ở chất khí, quá trình này xảy ra khi các phân tử va chạm và truyền năng lượng cho nhau Tuy nhiên, không thể xác định chính xác lượng nhiệt truyền qua dẫn nhiệt chỉ bằng cơ chế vi mô.
Fourier đã giả thiết dòng nhiệt như dòng chất chảy không có trọng lượng và hình thành định luật Fourier:
𝑄 = 𝑞 𝐹 = −𝜆 𝐹 𝜕𝑛 𝜕𝑡 [W] (2.2) Dòng nhiệt tỉ lệ với gradien nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt Trong đó:
F: diện tích bề mặt đẳng nhiệt
Dấu (-) biểu thị hướng dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp ngược với hướng gradient nhiệt độ
Trường nhiệt độ là tập hợp các giá trị nhiệt độ tại các điểm khác nhau trong không gian khảo sát Các giá trị này không chỉ khác nhau giữa các điểm mà còn thay đổi theo thời gian Do đó, trường nhiệt độ phụ thuộc vào cả không gian và thời gian.
- Trường nhiệt độ không ổn định: t = t(x,y,z,𝜏) (2.3)
- Trường nhiệt độ ổn định: t = t(x,y,z) (2.4)
Gradien nhiệt độ là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt Đây là một đại lượng vector, có chiều theo hướng tăng nhiệt độ Cụ thể, gradt(x,y,z) được biểu diễn bằng 𝜕𝑡.
⃗⃗⃗⃗ : vectơ đơn vị trên phương pháp tuyến
𝑖 , 𝑗 , 𝑘⃗⃗⃗ : là vectơ đơn vị trên các trục của hệ tọa độ
Mật độ dòng nhiệt, được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, tuân theo định luật Fourier Theo định luật này, mật độ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ.
Hệ số dẫn nhiệt (𝜆) [W/m o K] là đại lượng đo lường khả năng dẫn nhiệt của một vật liệu, thể hiện lượng nhiệt truyền qua một đơn vị bề mặt đẳng nhiệt trong một khoảng thời gian nhất định khi gradient nhiệt độ đạt một đơn vị Giá trị của hệ số này phụ thuộc vào các tính chất vật lý của vật liệu cũng như nhiệt độ, và thường được xác định thông qua các thí nghiệm thực tế.
2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu
Trao đổi nhiệt đối lưu là một hình thức truyền nhiệt cơ bản thông qua sự chuyển động của chất lỏng hoặc khí, bao gồm không khí, nước và dầu Tốc độ toả nhiệt đối lưu phụ thuộc vào các tính chất vật lý của chất lỏng, như hệ số dẫn nhiệt (), nhiệt dung riêng (CP), mật độ (), hệ số nhớt (), và các hệ số khác như hệ số nén đẳng nhiệt và hệ số giãn nở nhiệt Những đại lượng này có giá trị khác nhau và thay đổi theo nhiệt độ, trong đó , CP, , và đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu.
Theo nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng có thể chia thành:
Đối lưu tự do là quá trình chuyển động của chất lỏng do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng khác nhau, tạo ra sự khác biệt về mật độ và dẫn đến sự chuyển động của chất lỏng.
Tính toán trường nhiệt độ của Piston
Để tính toán trường nhiệt độ của các kết cấu, có thể áp dụng nhiều phương pháp như phân tích chính xác, phân tích gần đúng, phương pháp số, phương pháp đồ thị và phương pháp tương tự Những phương pháp này có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp với nhau Trong đồ án này, chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trường nhiệt độ của Piston – Xylanh.
2.2.1 Phương trình vi phân truyền nhiệt
2.2.1.1 Thiết lập phương trình vi phân truyền nhiệt Để xác định nhiệt độ trong vật thể cần phải thiết lập mối quan hệ của nhiệt độ với các toạ độ và thời gian Đó chính là phương trình vi phân dẫn nhiệt [8] a Phương trình vi phân dẫn nhiệt đối với vật không có nguồn nhiệt trong
Xét một vật thể đồng chất và đẳng hướng với các thông số vật lý hằng số và không có nguồn nhiệt bên trong, ta tách một phân tố hình hộp có kích thước dxdydz ra khỏi vật thể trong hệ tọa độ Oxyz Nghiên cứu dẫn nhiệt qua phân tố này theo các hướng x, y, z sau khoảng thời gian d𝜏.
Lượng nhiệt vào phân tố qua mặt thứ nhất:
Lượng nhiệt ra khỏi phân tố qua mặt thứ hai:
Lượng nhiệt phân tố nhận được theo hướng x:
𝜕𝑥 2 𝑑𝑥𝑑𝑦𝑑𝑧 𝑑𝜏 (2.9) Tương tự như vậy theo hướng y và theo hướng z, phân tố nhận được:
∂z 2 dV dτ (2.10) Theo cả ba hướng x, y, z lượng nhiệt phân tố nhận được là:
Lượng nhiệt trên sẽ làm phân tố thay đổi nội năng sau thời gian d là:
𝑑𝑈 = 𝑐𝜌𝑑𝑣 𝑑𝑡 = 𝑐𝜌𝑑𝑉 𝜕𝑡 𝜕𝜏 𝑑𝜏 (2.13) ở đây: c - nhiệt dung riêng, J/kgđộ,
𝜕 đạo hàm nhiệt độ theo thời gian
Do dQ = dU, nên rút ra:𝜆𝛻 𝑡 2 𝑑𝑉 𝑑𝜏 = 𝑐𝜌𝑑𝑉 𝜕𝑡 𝜕𝜏 𝑑𝜏 (2.14)
𝜕𝜏 = 𝑐𝜌 𝜆 𝛻 2 𝑡 (2.15) Đặt a = 𝑐 gọi là hệ số khuếch tán nhiệt độ, đặc trưng cho quán tính nhiệt của vật;
Hình 2.1 Phân tố vật thể ta được: 𝜕𝑡
Phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier (2.15) mô tả sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian tại các điểm trong vật liệu không có nguồn sinh nhiệt Trong hệ tọa độ trụ, toán tử Laplace được biểu diễn như sau: 𝛻²𝑡 = 𝜕𝑥𝜕²𝑡² + 1/𝑟 𝜕𝑡/𝜕𝑟 + 𝑟¹/₂ 𝜕𝜑𝜕²𝑡² + 𝜕²𝑡/𝜕𝑧² (2.17), trong đó r là bán kính của mặt trụ tại điểm khảo sát.
- góc của bán kính r với trục x; z - độ cao
Nếu trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt độ tại các điểm không đổi theo thời gian, tức là
𝜕 = 0, khi đó phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định sẽ là:
Phương trình vi phân dẫn nhiệt khi vật có nguồn trong
Khi một vật thể có nguồn sinh nhiệt phân bố đều với năng suất sinh nhiệt thể tích qv (W/m³), nhiệt lượng sinh ra trong một phân tố sau thời gian δτ được tính bằng công thức: dQ V = q v dV.dτ.
Khi đó lượng nhiệt phân tố có được gồm dẫn nhiệt theo 3 hướng (2.12) và nguồn nhiệt bên trong (2.18) sẽ là: dQ = 2 t.dV.d + q v dV.d (2.19)
Do lượng nhiệt trên bằng thay đổi nội năng (2.14) của phân tố nên:
𝑐. (2.21) (2.21) là phương trình vi phân dẫn nhiệt khi trong vật có nguồn nhiệt bên trong
Phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định có nguồn trong
Khi quá trình là ổn định tức nhiệt độ không thay đổi theo thời gian, phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định có nguồn trong sẽ trở thành:
Hình 2.2 Hệ toạ độ trụ
2.2.1.2 Các phương pháp giải phương trình vi phân truyền nhiệt
Quá trình truyền nhiệt có thể được phân loại thành bốn trường hợp chính: truyền nhiệt có nguồn trong, truyền nhiệt không có nguồn trong, truyền nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định.
Truyền nhiệt ổn định không có nguồn là một bài toán dẫn nhiệt đơn giản, trong đó trường nhiệt độ không thay đổi theo thời gian Phương pháp này thường được áp dụng cho các tình huống truyền nhiệt qua các vách ngăn.
Truyền nhiệt không ổn định không có nguồn trong là một vấn đề phổ biến trong kỹ thuật, đặc biệt trong quá trình đốt nóng và làm nguội vật liệu Trong các quá trình này, nhiệt độ tại các điểm trong vật thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự phức tạp hơn so với bài toán truyền nhiệt ổn định.
2.2.2 Các điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ Để cụ thể hóa nhiệm vụ của phương trình vi phân truyền nhiệt cần xem xét cùng với các điều kiện đơn trị (điều kiện biên) Các điều kiện đơn trị bao gồm:
- Điều kiện đầu: Xác định phân bố nhiệt độ bên trong vật ở thời điểm ban đầu
- Điều kiện giới hạn: Các điều kiện tác động qua lại giữa môi chất và bề mặt ngoài của vật
Hình dạng và các thuộc tính vật lý của vật thể rất quan trọng trong việc xác định quy luật phân bố nhiệt độ bên trong vật ở thời điểm ban đầu Điều này ảnh hưởng đến cách mà vật thể phản ứng với các yếu tố bên ngoài và quá trình truyền nhiệt diễn ra.
Các trường hợp riêng của điều kiện giới hạn rất đa dạng, nhưng có thể phân loại thành 4 nhóm cơ bản Nhóm đầu tiên là điều kiện biên loại 1, cung cấp thông tin về phân bố nhiệt độ trên bề mặt của vật tại một thời điểm cụ thể.
T v (𝜏): Nhiệt độ bề mặt của vật x,y,z: Tọa độ mỗi điểm trên bề mặt của vật
Khi nhiệt độ mọi thời điểm trên bề mặt vật bằng nhau và không phụ thuộc vào thời gian, điều kiện biên tiếp xúc loại 1 có dạng:
T v (𝜏)=const (2.25) Điều kiện biên loại 2: cho biết mật độ dòng nhiệt như một hàm thời gian với từng điểm trên bề mặt vật thể q v (𝜏) = −𝜆(𝑇) 𝜕𝑇
Trong đó: n là pháp tuyến bề mặt vật thể Điều kiện biên loại 3: Cho biết quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể với môi trường
TM (𝜏): nhiệt độ môi trường
Nếu môi trường không hấp thụ nhiệt, thì hệ số trao đổi nhiệt tổng quát được biểu diễn bằng công thức α = αt + αtd, trong đó αt là hệ số trao đổi nhiệt và αtd là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Điều kiện biên loại 4 mô tả đặc tính trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể và môi trường, cụ thể là sự trao đổi nhiệt giữa các vật cứng tiếp xúc khi nhiệt độ của bề mặt tiếp xúc là đồng nhất, được ký hiệu là λ1(T1) 𝜕𝑇.
Phương trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với điều kiện đơn trị được gọi là bài toán biên Trong các bài toán kỹ thuật, các điều kiện ban đầu thường được thiết lập ở dạng đơn giản nhất để dễ dàng giải quyết.
Nhiệt độ ban đầu của vật trước khi nung nóng là đồng nhất ở tất cả các điểm, và điều kiện ban đầu ảnh hưởng lớn đến trạng thái nhiệt độ trong giai đoạn đầu của quá trình không ổn định Trong các giai đoạn sau, sự phân bố nhiệt độ chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện biên Điều kiện biên loại 1 và 2 ít gặp trong tính toán nhiệt độ của các chi tiết động cơ, trong khi điều kiện biên loại 3 và 4 thường được áp dụng Độ chính xác của kết quả phân bố nhiệt độ phụ thuộc nhiều vào các hệ số α và 𝜆 trong điều kiện biên Việc lựa chọn phương pháp giải bài toán biên không quan trọng bằng việc xác định các giá trị α và 𝜆.
Hệ số dẫn nhiệt 𝜆 có thể dễ dàng tra cứu trong sách hoặc xác định qua nhiều phương pháp thực nghiệm Ngược lại, việc xác định hệ số trao đổi nhiệt α phức tạp hơn nhiều, thường được tính toán qua các phương trình lớp biên trong lý thuyết truyền nhiệt đối lưu hoặc từ sự phụ thuộc suy rộng dựa trên quá trình thực nghiệm nhiệt – vật lý.
Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt
Ứng suất nhiệt trong cụm piston - xylanh là một vấn đề phức tạp do sự không đồng đều của trường nhiệt độ và biến thiên theo chu kỳ tần số cao Khi chế độ tải thay đổi, ứng suất nhiệt [t] cũng thay đổi, và mối quan hệ giữa áp suất pe và t là tuyến tính Để xác định ứng suất nhiệt, các phương pháp khác nhau được áp dụng, trong đó thường là xác định trường nhiệt độ của piston và xylanh trước, sau đó tính toán biến dạng và ứng suất nhiệt Phương pháp cân bằng cơ sở, mặc dù là phương pháp gần đúng, cho phép chia piston và xylanh thành các phần tử khối để xác định nhiệt độ tại các điểm bên trong Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó khăn trong việc xác định dòng nhiệt qua các bề mặt, dẫn đến việc không được áp dụng rộng rãi Phương pháp mạng, dựa trên phương trình vi phân truyền nhiệt và chia miền khảo sát thành lưới, có tính đa dạng nhưng cũng gặp khó khăn trong việc xác định điều kiện biên và xử lý hệ phương trình phức tạp.
Phương pháp phần tử biên (PTB) không tìm lời giải trên miền khảo sát mà tập trung vào biên của miền Để áp dụng PTB, người ta sử dụng phương pháp giải tích để chuyển đổi phương trình vi phân trong miền khảo sát thành phương trình tích phân biên Đối với các biên hình dạng đơn giản, phương pháp tích phân biên có thể được giải trực tiếp bằng phương pháp giải tích Tuy nhiên, với các biên phức tạp, việc sử dụng giải số thông qua rời rạc hóa là phương pháp duy nhất khả thi PTB hiệu quả khi đã biết nghiệm cơ bản ở dạng hàm Green, có thể được xác định ở dạng chuỗi hoặc bằng phương pháp số tại mỗi điểm tích phân Đặc biệt, trong bài toán xác định trường nhiệt độ trong mô hình không gian, việc xác định hàm Green gặp nhiều khó khăn, do đó thường kết hợp PTB với phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các bài toán này.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp gần đúng hiệu quả nhất cho các bài toán kỹ thuật trong lĩnh vực như kết cấu, dòng chảy và truyền dẫn nhiệt Dựa trên định luật nhiệt động thứ nhất, PTHH giải quyết bài toán truyền dẫn nhiệt bằng cách xác định điều kiện ở ba dạng khác nhau, sau đó sử dụng máy tính để tính toán nhiệt độ tại các nút của phần tử Kết quả nhiệt độ này được dùng để xác định biến dạng nhiệt và ứng suất nhiệt của cụm piston - xylanh Ngoài ra, PTHH còn cho phép xác định ứng suất và biến dạng tại vị trí bất kỳ, nhờ vào tính chính xác, nhanh chóng và hiệu quả, phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong phân tích và tính toán động cơ.
Lựa chọn phương pháp tính toán
Phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ hiệu quả trong việc tính toán ứng suất cho các chi tiết của động cơ đốt trong Phương pháp này có khả năng áp dụng cho mọi loại kết cấu và giải quyết các bài toán phi tuyến không ổn định, đặc biệt là đối với vật thể nhiều thành phần và có cấu trúc phức tạp.
2.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn
Như đã biết, đối với vật liệu đàn hồi tuyến tính quan hệ ứng suất và biến dạng được viết như sau: {}=[D]{ el }
Trong đó {}=[xyzxyyzxz] T là vector ứng suất trong bài toán không gian
[D]- ma trận đàn hồi của vật liệu Mô hình không gian ma trận [D] có dạng:
E: mô đun Young; hệ số Poisson G: mô đun đàn hồi khi trượt của vật liệu { el }: vector biến dạng đàn hồi
Ngoài ra, với vật liệu đồng nhất và đẳng hướng thì ma trận đàn hồi [D] là ma trận đối xứng, khi đó ta có:
𝐺 𝑥𝑧 Cuối cùng ta có các công thức xác định ứng suất tiếp và ứng suất pháp:
Tập hợp các công thức trên là mô hình toán học xác định trường ứng suất nhiệt của động cơ dưới dạng 3D
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) đã được áp dụng để tính toán nhiệt độ và ứng suất của piston - xylanh trong động cơ đốt trong Các tham số nhiệt độ được sử dụng làm đầu vào để xác định chuyển vị của các nút do ứng suất nhiệt Nguyên lý của PTHH dựa trên việc tối thiểu hóa thế năng trong các chi tiết, dẫn đến việc giải hệ phương trình đại số tuyến tính Kết quả thu được là chuyển vị và ứng suất tại các nút trong mô hình PTHH.
2.4.2 Lựa chọn phần mềm tính toán
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF v.v
Trong đồ án này chúng em dùng phần mềm CATIA để thiết kế và phân tích
Piston và xylanh phải chịu nhiều loại tải trọng trong quá trình hoạt động, với tải trọng cơ do lực khí thể và tải trọng nhiệt là hai yếu tố quan trọng nhất Trong đó, tải trọng nhiệt gây ra ứng suất nhiệt, được coi là nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng của piston và xylanh.
Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả để tính toán trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt cho các chi tiết động cơ đốt trong Phương pháp này có khả năng áp dụng cho mọi loại kết cấu, từ đơn giản đến phức tạp, và đặc biệt có thể giải quyết các bài toán phi tuyến không ổn định.
Việc sử dụng phần mềm CATIA trong đồ án này giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và phân tích ứng suất nhiệt của cụm piston - xylanh, mang lại sự thuận tiện và nhanh chóng cho nghiên cứu.
PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG
Quy trình thiết kế cụm Piston – Xylanh bằng module Part Design trong CATIA
3.1.1.1 Thông số kết cấu của Piston
Hình 3.1 Thông số kết cấu của Piston 3.1.1.2 Quy trình thiết kế
Bước 1: Khởi động phần mềm Catia, mở môi trường Part Design
Bước 2: Chọn mặt phẳng yz, chọn lệnh Sketch để vẽ phác thảo 2D, vẽ biên dạng piston và sử dụng lệnh constraint để cố định kích thước như hình dưới:
Bước 3: Thoát môi trường Sketch (sử dụng lệnh Exit workbench) Dùng lệnh Shaft để xoay tạo khối Piston, ta được hình dạng tổng thể như sau:
Bước 4: Chọn mặt phẳng yz, chọn lệnh Sketch để vẽ phác thảo 2D Vẽ hình dạng lỗ, dung lệnh constraint cố định kích thước lỗ của piston như hình:
Dùng lệnh Groove để tạo lỗ, ta được khối như hình dưới:
Bước 5: Tạo một mặt phẳng song song với mặt yz, và cách mặt yz một khoảng 5.75mm Chọn mặt phẳng vừa tạo để vẽ Sketch như hình dưới:
Sau đó thoát Sketch, chọn lệnh Pad, chọn “up to next” trong ô Type và nhập thông số như hình:
Bước 6: Chọn mặt phẳng xy, vẽ Sketch, và constraint như hình bên dưới, sau đó dùng lệnh Pocket sâu vào 22mm:
Bước 7: Tạo rãnh ở chốt piston
Chọn mặt phẳng zx, vẽ sketch và constraint như hình dưới, sau đó dùng lệnh Pocket (up to next) 2 chiều ta được các rãnh:
Bước 8: Tạo gân ở đầu piston với thông số kích thước và hình dáng như hình:
Thoát Sketch và Pad (up to plane), sau đó dung lệnh Chamfer để vác 1 góc 45 0 , 1mm Cuối cùng ta được Piston sau khi thiết kế như hình bên dưới:
3.1.2 Thiết kế Xylanh – nắp máy
3.1.2.1 Thông số kết cấu của Xylanh - nắp máy
Hình 3.2 Thông số kết cấu của Xylanh - nắp máy 3.1.2.2 Quy trình thiết kế
Khởi động phần mềm Catia và mở môi trường Part Design Tiếp theo, chọn mặt phẳng xy và vào Sketch để vẽ phát thảo 2D cho đáy của qui lát, đảm bảo hình dạng và kích thước đúng như hình minh họa bên dưới.
Thoát Sketch, và Multi Pad lên 6mm, ta được:
Bước 2: Chọn mặt phẳng xy, vẽ sketch, cố định biên dạng như hình dưới, sau đó thoát sketch và dung lệnh Pad xuống 5mm ta được:
Bước 3: Chọn mặt phẳng như hình bên dưới, vẽ sketch lên mặt phẳng đó với biên dạng và kích thước như sau:
Thoát Sketch và Pad lên 17mm ta được:
Bước 4: Tương tự, chọn mặt phẳng như bên dưới để vẽ Sketch với biên dạng và kích thước như sau:
Thoát Sketch và Pad lên 27mm, ta được:
Bước 5: Tạo một mặt phẳng song song với mặt phẳng xz, cách mặt phẳng xz 29.75mm theo phương như hình dưới đây, và vẽ biên dạng lên mặt phẳng vừa tạo.
Thoát Sketch và Pad (up to surface) ta được:
Bước 6: Chọn mặt phẳng tương ứng và vẽ Sketch như hình bên dưới:
Thoát sketch, dung lệnh pocket (up to next) trên biên dạng vừa tạo, sau đó dùng lệnh Variable Radius Fillet để bo các góc:
Dùng lệnh Hole để tạo 2 lỗ như hình dưới với đường kính mỗi lỗ là 4.2mm, sâu 6mm:
Bước 7: Tạo một mặt phẳng song song với mặt zx và cách mặt zx một khoảng 39.25mm theo phương như hình bên dưới:
Chọn mặt phẳng đã tạo, sau đó vẽ sketch và thiết lập các ràng buộc kích thước Tiếp theo, thoát khỏi sketch và thực hiện Pad với độ dày 2mm Cuối cùng, chọn mặt phẳng bên trong để vẽ các biên dạng, nhằm xây dựng hình dạng mong muốn.
Bước 8: Lựa chọn mặt phẳng phù hợp để thực hiện sketch như hình minh họa, sau đó thoát khỏi sketch, tiến hành pocket (up to next) và áp dụng Edge Fillet với bán kính 2mm, chúng ta sẽ thu được hình dạng như bên dưới.
Bước 9: Tạo các cánh tản nhiệt trên thân xylanh
- Tạo 1 Body in a Set với tên “canh_tan_nhiet”, bây giờ ta sẽ vẽ các cánh tản nhiệt trong body “canh_tan_nhiet” này
- Tạo 1 mặt phẳng song song với mặt phẳng xy, và cách mặt phẳng xy một khoảng 16.46 mm theo hướng lên trên
- Vẽ Sketch trên mặt phẳng vừa tạo, sau đó thoát Sketch, Pad lên 1.5mm và tô màu để phân biệt cánh tản nhiệt ta được:
- Chuyển từ môi trường Part Design sang môi trường Generative Shape Design, chọn bề mặt như hình bên dưới:
Chọn lệnh Offset để sao chép bề mặt của các cánh tản nhiệt, Offset lên 4.38 mm
Làm tương tự, ta được:
Chuyển sang môi trường Part Design, lần lượt chọn các mặt surface vừa tạo, dùng lệnh
Thick Surface để tạo độ dày cho các cánh tản nhiệt, mỗi cánh dày 1.5mm Kết quả ta được:
Bước 10: Vẽ các cánh tản nhiệt ở đầu xylanh
Chọn mặt phẳng yz, vào sketch để vẽ biên dạng như hình dưới:
Thoát Sketch, tạo tiếp 1 đường line vuông góc với mặt phẳng yz như hình:
Tạo một mặt phẳng đi qua 2 đường thẳng đã tạo
Lấy biên dạng của bề mặt trên cùng:
Lấy đường giao giữa biên dạng bề mặt trên cùng với mặt phẳng vừa tạo bằng lệnh Intersection:
Chọn mặt phẳng vừa tạo, vẽ biên dạng như hình dưới, sau đó Pad 1.5mm:
Dùng lệnh Rectangular Pattern tạo các tấm surface như hình dưới:
Tạo độ dày của các tấm surface, mỗi tấm 1.5mm ta được:
Tương tự: vẽ các tấm nhỏ hơn, ta được hình như bên dưới:
Dùng lệnh Union Trim để loại bỏ đi các phần thừa của các tấm tản nhiệt:
Bước 11: Thiết kế lỗ gá bugi:
Tạo một mặt phẳng, cách mặt đã chọn 0.3mm
Vẽ biên dạng lỗ gá bugi vào mặt phẳng vừa mới tạo như hình dưới:
Pad (up to plane) biên dạng vừa tạo, sau đó, trim các phần dư, rồi tạo các lỗ, cuối cùng ta được:
Xây dựng mô hình tính toán
Để tính toán trường nhiệt độ và ứng suất của cụm piston - xylanh, cần xây dựng mô hình tính toán hình học và mô hình phần tử hữu hạn Sau đó, xác định tính chất vật liệu, các điều kiện tải trọng nhiệt và giải bài toán bằng phần mềm CATIA trên máy tính.
Khi thiết lập bài toán, xây dựng mô hình tính toán và giải bài toán phải thỏa mãn các vấn đề sau:
- Mô hình phải phản ánh trung thực điều kiện làm việc của cụm piston - xylanh
- Mô hình đơn giản, phù hợp với các điều kiện của phần mềm để có thể giải được
- Các kết quả nhận được phải có độ chính xác cao với sai số chấp nhận được
3.2.1 Thiết lập bài toán, xây dựng mô hình hình học
Khi động cơ làm việc, đối với piston - xylanh của động cơ xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt sau:
- Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu giữa môi chất công tác tới đỉnh piston và thành xylanh
- Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ của ngọn lửa tới mặt đỉnh piston và thành xylanh
- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa piston đến xéc măng và đến xylanh
- Quá trình truyền nhiệt tiếp xúc động giữa phần dẫn hướng piston với xylanh
- Quá trình truyền nhiệt đối lưu giữa phần đáy piston với chất lỏng làm mát
Hình 3.3 Phân bố nhiệt độ trên Piston
Các chi tiết chịu tải trọng nhiệt của động cơ thường có cấu trúc và hình dạng phức tạp, với sự tương hỗ về nhiệt, lực và động học giữa các phần Để xây dựng mô hình toán học cho cụm piston - xylanh, cần đảm bảo sự tương quan giữa mô hình toán và mô hình thực về kết cấu, hình dạng, kích thước và trọng lượng, nhằm đạt được kết quả tính toán và mô phỏng sát với thực tế Trong đồ án này, chúng em đã sử dụng công cụ thiết kế CATIA để xây dựng mô hình hình học của cụm piston - xylanh và tiến hành phân tích ứng suất nhiệt bằng module Generative.
3.2.2 Các giả thiết và điều kiện biên của mô hình tính toán
Quá trình trao đổi nhiệt trên bề mặt các chi tiết trong buồng cháy rất phức tạp và cần sử dụng nhiều dạng điều kiện biên để mô tả Khi động cơ hoạt động ở chế độ không ổn định, trạng thái nhiệt của nó thay đổi theo thời gian Do đó, việc xác định trường nhiệt độ và ứng suất tại các điểm cụ thể trở thành bài toán giải phương trình truyền nhiệt, yêu cầu áp dụng cả điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Trong cụm piston - xylanh, hiện tượng truyền nhiệt đối lưu trở nên không ổn định khi vận động ở cường độ lớn và điều kiện rối Việc nghiên cứu hiện tượng này gặp nhiều khó khăn do tính phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng.
Sự không xác định lớp biên của bề mặt buồng cháy dẫn đến thiếu thông tin về dòng chảy của môi chất công tác Đến nay, nghiên cứu về chuyển động của piston và các điều kiện hình thành dòng chảy trong buồng cháy vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.
Sự dao động của thành buồng cháy tạo ra điều kiện chảy rối trong thể tích làm việc của động cơ, từ đó tăng cường khả năng truyền nhiệt nhưng cũng làm giảm độ ổn định của lớp biên.
Truyền nhiệt trong động cơ được xác định bởi nguồn nhiệt từ quá trình cháy nhiên liệu và sự biến đổi của môi chất công tác trong buồng cháy.
Nhiệt ma sát là nguồn nhiệt có quy luật riêng, khác với quy luật truyền nhiệt đối lưu Hiện tại, chưa có phương pháp nào để tách biệt hai nguồn nhiệt này nhằm nghiên cứu một cách độc lập.
Lượng nhiệt trao đổi qua bức xạ nhiệt của khí cháy và ngọn lửa phụ thuộc vào mật độ, áp suất riêng phần và trạng thái khí Theo giáo sư Diachenco, lượng nhiệt bức xạ chỉ chiếm khoảng 3-5% tổng lượng nhiệt trao đổi Vì vậy, khi tính toán, cần xem xét trao đổi nhiệt bức xạ qua phần bổ sung của hệ số tỏa nhiệt đối lưu.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa piston và xylanh được đặc trưng bởi hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng αΣ, cùng với nhiệt độ của môi chất ΤΣ và dòng nhiệt qΣ, bao gồm cả quá trình đối lưu và bức xạ.
Trong quá trình làm việc của động cơ, các đại lượng như nhiệt độ, vận tốc xoáy và áp suất của môi chất luôn thay đổi theo chu kỳ Trong khi áp suất có thể coi là đồng đều tại các vị trí và thời điểm nhất định, thì các đại lượng như αΣ, ΤΣ và qΣ lại không đồng nhất và phụ thuộc vào vị trí Để đơn giản hóa, quá trình trao đổi nhiệt được xem như một quá trình tĩnh, trong đó các đại lượng này nhận giá trị trung bình nhất định, giúp tổn lượng nhiệt mà môi chất truyền cho piston tương đương với tổng lượng nhiệt mà xylanh nhận được trong một chu trình công tác ổn định Nhiệt độ của môi chất được xác định từ kết quả tính toán chu trình công tác và được coi là không phụ thuộc vào vị trí.
Việc tính toán trạng thái nhiệt của động cơ đốt trong, đặc biệt là cụm piston - xylanh, là cần thiết để xác định trường nhiệt độ và ứng suất trong các chế độ làm việc điển hình của động cơ.
Điều kiện biên hình học của động cơ piston tự do yêu cầu piston và xylanh phải có tính chất đối xứng tròn xoay tuyệt đối qua đường tâm piston, cả về mặt hình học lẫn tải trọng nhiệt.
❖ Điều kiện biên vật lý:
Vật liệu chế tạo Piston Vật liệu chế tạo Xylanh
Hệ số dãn nở nhiệt (10 -6 / o C) 21 11
(Yield Strength) 270 250 Độ bền kéo (MPa)
Bảng 3.1 Đặc tính vật liệu của Piston và Xylanh
Điều kiện biên thời gian là yếu tố quan trọng trong việc tính toán trạng thái nhiệt, ứng suất và biến dạng của động cơ đốt trong Đối với tất cả các loại động cơ, quá trình này thường bắt đầu từ chế độ công suất định mức Ne N tương ứng với số vòng quay định mức nN Ở chế độ làm việc này, nhiệt độ của các chi tiết máy chịu tải trọng lớn thường đạt giá trị cao nhất, đặc biệt là đối với động cơ tăng áp.
Các điều kiện biên tiếp xúc là yếu tố quan trọng thể hiện sự tương tác nhiệt độ giữa các chi tiết và môi trường xung quanh Trong bài toán tính toán trường nhiệt độ và ứng suất của động cơ piston tự do, việc áp dụng các điều kiện biên tiếp xúc là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong phân tích.
Quy trình phân tích ứng suất bằng module Generative Structural Analysis trong
Sơ đồ tính toán ứng suất nhiệt cụm piston-xylanh được xây dựng như sau:
3.3.2 Quy trình phân tích ứng suất nhiệt trong môi trường Generative structural analysis của CATIA
3.3.2.1 Quy trình phân tích ứng suất nhiệt của Piston
Bước 1: Mở file thiết kế pison piston.CATPart
Chọn sau đó kích vào “apply material” để khai báo thuộc tính vật liệu cho piston
Xây dựng mô hình hình học Mở môi trường Generative structural analysis
Khai báo thuộc tính vật liệu và các điều kiện biên là bước đầu tiên trong quá trình phân tích Tiếp theo, bạn cần chia lưới và đặt kiểu phân tích phù hợp Sau đó, hãy đặt tải cho mô hình và tiến hành tính toán Cuối cùng, khai thác kết quả và thoát khỏi phần mềm một cách an toàn.
Chọn “Aluminum” trong thư viện vật liệu và click vào “apply material”
Thay đổi các thông số của vật liệu cho phù hợp với vật liệu làm piston:
Bước 2: Vào Start chọn Analysis & Simulation, sau đó chọn Generative structural analysis Chọn "static analysis" trong hộp thoại “New Analysis Case”
Bước 3: Tạo một “Smooth Virtual Part” Chọn mặt của lỗ chốt piston ở mục Support
Bước 4: Tạo một ngàm clamp để cố định piston Chọn “1 Virtual part” trong ô Supports
Bước 5: Tạo trường nhiệt độ bằng cách chọn biểu tượng Temperature Field trên thanh công cụ Load
Trong ô “Supports” click chọn piston Cài đặt nhiệt độ trong ô Temperature là 1Kdeg
Kích hoạt “data mapping” và chọn file temperature.xlsx đã tạo trước đó File này cho biết nhiệt độ của piston ở những vị trí khác nhau
Có thể kích vào nút “Display Bounding box” để hiển thị trường nhiệt độ
Bước 6: Nháy đúp chuột vào mục “environment”
Cài đặt nhiệt độ ban đầu là 395Kdeg
Bước 7: Nháy đúp chuột vào mục “ OCTREE Tetrahedron Mesh” Cài đặt kích thước chia lưới như hình dưới đây:
Chọn kiểu phần tử là Parabolic
Kết quả của phân tích CAE chịu ảnh hưởng lớn từ cách chia lưới và điều kiện biên được áp đặt, do đó, độ chính xác và độ tin cậy của kết quả phụ thuộc vào kinh nghiệm và kiến thức của người sử dụng.
Bước 8: Tính toán mô hình
Việc tính toán được sử dụng rộng rãi trong các trường hợp phân tích tĩnh học, đặc biệt là đối với các vấn đề liên quan đến cài đặt Phương pháp này cung cấp các giải pháp phân tích cùng với kết quả chi tiết cho tất cả các yếu tố phức tạp được mặc định trong các trường hợp phân tích.
Kết quả tính toán trong giải pháp tĩnh học cơ bản bao gồm vectơ chuyển vị, được xác định bởi giá trị của hệ thống bậc tự do Những kết quả này sẽ dẫn đến việc tính toán các đại lượng khác như ứng suất, chuyển vị và nhiều thông số quan trọng khác.
Click chuột vào ô compute, màn hình xuất hiện hộp thoại
Sau đó chọn All và click vào OK
CATIA sẽ tiến hành tính toán ứng suất nhiệt cho piston, sử dụng các giải pháp tĩnh học có sẵn trong cây tính toán phân tích Chương trình sẽ tự động tính toán cho tất cả các đối tượng liên quan.
Select the Preview option and then click OK in the Compute dialog box The reports will be displayed in the Computation Resources Estimation dialog You can either continue with the calculations or postpone them.
Click Yes để bắt đầu tính toán
Hộp thoại Progress Bar hiển thị trạng thái của quá trình tính toán, cho phép người dùng theo dõi mức độ hoàn thành Giải pháp tĩnh học được tính toán và hiển thị rõ ràng.
Ngay bây giờ, bạn có thể xuất bảng báo cáo tính toán, nhận thấy những hình ảnh cho những kết quả khác nhau
Bước 9: Hiển thị kết quả
Click chuột vào von mises stress để hiển thị ứng suất của piston
Cài đặt loại hiển thị là shading with material
Click vào animate để xem hiệu ứng
3.3.2.2 Quy trình phân tích ứng suất nhiệt ống lót xylanh
Tương tự như quy trình phân tích ứng suất nhiệt trên Piston:
Bước 1: Mở file thiết kế ống lót ong_lot_ve.CATPart (đã áp vật liệu)
Bước 2: Chuyển sang môi trường Generative structural analysis để phân tích ứng suất Bước 3: Tạo một ngàm clamp để cố định mặt ngoài của ống lót
Bước 4: Tạo trường nhiệt độ bằng lệnh Temperature Field
Bước 5: Nháy đúp chuột vào mục “environment”
Cài đặt nhiệt độ ban đầu là 373Kdeg
Bước 6: Nháy đúp chuột vào mục “ OCTREE Tetrahedron Mesh” Cài đặt kích thước chia lưới như hình dưới đây:
Chọn kiểu phần tử là Parabolic
Bước 7: Tính toán mô hình
Bước 8: Hiển thị kết quả.
Kết quả phân tích
3.3.1 Kết quả phân tích của piston
Hình 3.6 Sự phân bố nhiệt độ trên đỉnh piston
Theo biểu đồ hình 3.3, nhiệt độ cao nhất trên đỉnh piston đạt 225 o C, trong khi nhiệt độ thấp nhất ở vùng rìa ngoài chỉ khoảng 207 o C Nhiệt độ giảm dần từ trung tâm ra xung quanh, nhưng lại có sự gia tăng đột ngột gần rìa, đạt khoảng 210 o C Điều này cho thấy quy luật phân bố nhiệt độ trên đỉnh piston khá phức tạp, với chênh lệch nhiệt độ chỉ khoảng 15 o C, tương đương 10%.
Hình 3.7 Sự phân bố nhiệt độ ở mặt bên piston
Biểu đồ nhiệt độ trên thân piston cho thấy sự phân bố nhiệt độ khá đơn giản, với nhiệt độ giảm dần từ phần đầu đến phần thân Chênh lệch nhiệt độ giữa hai khu vực này rất lớn, với nhiệt độ cao nhất ở vùng đầu piston (khu vực xéc măng) vượt quá nhiệt độ ở cuối phần dẫn hướng tới 100 độ C.
3.3.1.2 Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với các chế độ tải khác nhau
Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với 100% tải
Hình 3.8a Ứng suất nhiệt ở chế độ 100% tải khi nhìn từ đáy piston
Hình 3.8b Ứng suất nhiệt ở chế độ 100% tải tại mặt cắt chốt
Ứng suất nhiệt trong piston phân bố không đồng đều, với sự chênh lệch lớn giữa các khu vực Dưới tải trọng 100%, ứng suất nhiệt thấp nhất đạt 0,419 MPa, trong khi cao nhất lên đến 145 MPa Mô phỏng nhiệt độ cho thấy gradient nhiệt độ nhỏ, dẫn đến ứng suất tập trung chủ yếu ở đỉnh và đầu piston Các chốt piston chịu ứng suất nhiệt lớn nhất (145 MPa), với nhiều khu vực có ứng suất trên 100 MPa, đặc biệt là khu vực liên kết với thân piston và các mặt vác Ứng suất cắt trong mặt phẳng YZ cũng cho thấy hai cực đại ở mép rãnh piston, cho thấy chốt piston chịu ứng suất cắt nặng nề Do đó, chốt piston là khu vực có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất, vừa chịu ứng suất nhiệt vừa phải tiếp nhận và truyền lực khí thể sang thanh truyền.
Khu vực dưới đỉnh piston chịu ứng suất lớn do nhiệt độ cao, với mức ứng suất tối đa đạt 111 MPa Vùng có ứng suất trên 50 MPa (màu xanh lá) chiếm diện tích rộng ở trung tâm đỉnh Mặt trên đỉnh piston và phần vát sau rãnh xéc-măng thứ hai cũng có ứng suất nhiệt cao đáng kể (trên 20 MPa) do chịu nhiệt độ cao và vật liệu mỏng hơn các vùng khác.
Khi piston hạ xuống, ứng suất nhiệt giảm dần do nhiệt độ giảm và chênh lệch nhiệt độ nhỏ Tại các vị trí của phần dẫn hướng, ứng suất luôn dưới 10 MPa, với giá trị thấp nhất ở cuối phần dẫn hướng chỉ đạt 0,419 MPa.
Các khu vực có ứng suất lớn nhất trong động cơ bao gồm mặt dưới đỉnh piston, chốt piston và các đường vát Ứng suất cao nhất thường xảy ra ở chốt, trong khi vật liệu ở đỉnh bị suy yếu do nhiệt độ cao Khu vực đỉnh được mô hình hóa với điều kiện lạc quan, trong khi chốt lại chịu điều kiện khắc nghiệt hơn Thực tế, vùng đỉnh cũng sẽ biến dạng ở nhiệt độ cao, và khi động cơ hoạt động, nhiệt độ thay đổi có thể gây ra mỏi nhiệt ở chu kỳ thấp, điều này chưa được tính đến trong mô phỏng Chốt chặn được phủ dầu, giúp phân phối ứng suất giữa chốt và lỗ chốt piston, dẫn đến ứng suất đỉnh trong lỗ chốt có thể thấp hơn so với dự đoán Theo nghiên cứu, điểm ứng suất tối đa với tiếp xúc khô nằm ở mặt trong của lỗ chốt, nhưng các hoạt động bôi trơn có xu hướng di chuyển điểm ứng suất lớn nhất vào bên trong.
Khi động cơ hoạt động ở 100% tải, ứng suất lớn nhất đạt 145 MPa, nằm trong giới hạn an toàn với ứng suất cho phép là 270 MPa Hệ số an toàn ở chế độ này là 1,86.
Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với 75% tải
Hình 3.9a Ứng suất nhiệt ở chế độ 75% tải khi nhìn từ đáy piston
Hình 3.9b Ứng suất nhiệt ở chế độ 75% tải tại mặt cắt chốt
Khi động cơ hoạt động ở 75% tải, những vùng chịu ứng suất cao nhất vẫn là chốt piston và mặt dưới đỉnh piston, tương tự như khi hoạt động ở 100% tải Ứng suất nhiệt lớn nhất ghi nhận ở mức 75% tải đạt 106 MPa tại mặt trong cùng của lỗ chốt, trong khi ứng suất cao nhất tại mặt dưới đỉnh piston cũng đáng chú ý.
Khi động cơ hoạt động ở 75% tải, ứng suất nhiệt lớn nhất giảm đáng kể, giảm khoảng 60% so với mức 100% tải, chỉ còn 40 MPa Điều này cho thấy rằng việc giảm tải không chỉ giúp giảm ứng suất mà còn cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ.
Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với 50% tải
Hình 3.10a Ứng suất nhiệt ở chế độ 50% tải khi nhìn từ đáy piston
Hình 3.10b Ứng suất nhiệt ở chế độ 50% tải tại mặt cắt chốt
Khi hoạt động ở 50% tải, ứng suất nhiệt lớn nhất chỉ còn 63 MPa, giảm 40% so với mức 75% tải Đồng thời, vùng ứng suất tại mặt dưới của đỉnh cũng giảm xuống dưới 10 MPa.
Ứng suất nhiệt của Piston khi hoạt động với 0% tải
Hình 3.11a Ứng suất nhiệt ở chế độ 0% tải khi nhìn từ đáy piston
Hình 3.11b Ứng suất nhiệt ở chế độ 0% tải tại mặt cắt chốt
Khi tải trọng ở mức 0%, ứng suất lớn nhất đạt 35 MPa, với vùng tập trung ứng suất không còn ở trung tâm mà di chuyển ra rìa bên ngoài Nguyên nhân là do nhiệt độ cao nhất không nằm ở giữa đỉnh mà ở khu vực các xéc măng.
Hình 3.12 Biến dạng tổng thể của piston
Hình 3.6 minh họa quá trình giãn nở và biến dạng của piston, trong khi hình 3.12 thể hiện tác động của tải trọng nhiệt lên piston Sự giãn nở diễn ra mạnh mẽ hơn ở phần đỉnh và giảm dần về phía dưới, điều này phù hợp với việc nhiệt độ cao nhất tập trung ở đỉnh và giảm dần xuống phần đầu và phần dẫn hướng.
3.3.1.4 Biến dạng ở các chế độ tải
Hình 3.13 Biến dạng của piston ở chế độ 100% tải
Biến dạng của piston giảm dần từ trên xuống dưới và từ trong ra ngoài, với phần đỉnh piston bị biến dạng lớn nhất (0,0388mm) do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ cao Ngược lại, khu vực có biến dạng nhỏ nhất là các lỗ chốt, nơi gắn chặt với chốt trong liên kết với đầu nhỏ thanh truyền.
3.3.1.5 So sánh giữa ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học Ứng suất cơ học chủ yếu do lực khí thể tạo bởi quá trình cháy trong buồng đốt gây ra Theo thực nghiệm [9], áp suất khí thể tác dụng lên Piston lớn nhất ở đầu quá trình giãn nở và có giá trị Pmax = 4.955MPa Để có cái nhìn tổng quan giữa ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học tác dụng lên Piston, ta tiến hành phân tích ứng tích ứng suất cơ học và so sánh với ứng suất nhiệt như đã phân tích ở trên (ở chế độ 100% tải)
Quy trình phân tích ứng suất cơ học tương tự như quy trình phân tích ứng suất nhiệt Kết quả phân tích được thể hiện ở hình 3.14:
Hình 3.14 Ứng suất tác dụng lên Piston bởi lực khí thể Ứng suất nhiệt Ứng suất cơ học
Giá trị lớn nhất (MPa) 145 239
Biến dạng lớn nhất (mm) 0.0388 0.0621
Khu vực tập trung ứng suất cao Đỉnh, mặt trong của chốt
Khu vực liên kết giữa chốt và thân Piston
Bảng 3.4 So sánh ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học tác dụng lên Piston
Ứng suất cơ học có giá trị lớn hơn ứng suất nhiệt, nhưng ứng suất cơ chỉ tập trung tại khu vực liên kết giữa chốt và thân Piston Ngược lại, ứng suất nhiệt phân bố rộng rãi hơn, đặc biệt ở các khu vực như đỉnh, chốt và các đường vác.
Như vậy, kết cấu chốt của Piston phải đảm bảo đủ bền để có thể chịu được cả ứng suất cơ và ứng suất nhiệt
Biến dạng lớn nhất gây ra bởi ứng suất cơ học cũng lớn hơn ứng suất nhiệt khoảng 60,1%