acta mechanica et automatica, vol.3 no.2 (2009)

19

SPRZĘŻONA TEMPERATUROWO-PRZEMIESZCZENIOWA ANALIZA NUMERYCZNA MES ELEMENTÓW SILNIKA ZS

Hubert DĘBSKI*, Józef JONAK*

*Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn, Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin

h.debski@pollub.pl, j.jonak@pollub.pl

Streszczenie: Praca zawiera wyniki analizy numerycznej w ujęciu metody elementów skończonych rozkładów naprężeń, temperatur oraz odkształceń w elementach silnika diesla ZS. Zakres obliczeń obejmował sprzężoną analizę temperaturowo-przemieszczeniową elementów konstrukcji z uwzględnieniem zagadnień geometrycznie nieliniowych oraz liniowo-sprężystych własnościach materiałowych. Istotne znaczenie w procesie prowadzonych obliczeń miało zastosowanie analizy sprzężonej, umożliwiającej jednoczesne uwzględnienie zagadnień termicznych oraz wynikających z nich efektów napręże-niowych. Takie podejście umożliwia prowadzenie kompleksowej analizy konstrukcji obciążonych cieplnie, jednakże wiąże się to z koniecznością zastosowania specjalnych typów elementów skończonych, posiadających dodatkowy stopień swobody pozwalający na uwzględnienie zagadnień termicznych.

1. WSTĘP

Warunki pracy elementów konstrukcyjnych silników spalinowych można określić jako ciężkie, ze względu na występowanie długotrwałych oraz ekstremalnych obcią-żeń w trakcie ich eksploatacji. Dodatkowym utrudnieniem w ocenie wytrzymałości i trwałości tego typu konstrukcji jest jednoczesne występowanie obciążeń mechanicznych oraz cieplnych. Istotnym czynnikiem w ocenie stanu wytę-żenia niektórych elementów konstrukcji silnika jest również nierównomierność ich nagrzewania się oraz brak możliwo-ści dokładnej oceny rzeczywistych parametrów pracy. Również prowadzone w tym zakresie skomplikowane i kosztowne badania eksperymentalne pozwalają jedynie w ograniczonym stopniu monitorować pracę konstrukcji. Wciąż poszukiwane i doskonalone są metody diagnozowa-nia przyczyn uszkodzeń najbardziej wytężonych elementów konstrukcyjnych silnika, do których można zaliczyć m.in. głowicę oraz zawory wraz z gniazdami (Gardyński i inni, 2008; Hejwowski i inni, 2008). Prognozowanie i ocena stanu wytężenia tego typu elementów konstrukcyjnych stała się możliwa dzięki wykorzystaniu metod numerycznych, umożliwiających prowadzenie analiz pracy ustroju bez konieczności wykonywania pracochłonnych i kosztownych badań eksperymentalnych. W szczególności szerokie zasto-sowanie w tym zakresie znajduje Metoda Elementów Skoń-czonych, stanowiąca alternatywną formę badań. Dotyczy to zwłaszcza symulacji numerycznych umożliwiających jednoczesną analizę rozkładów temperatury w obszarze badanej konstrukcji oraz rozkładów naprężenia, stanowią-cego podstawę oceny stopnia wytężenia konstrukcji. Przy-kładem tego typu symulacji numerycznych jest sprzężona analiza termiczno-przemieszczeniowa coupled temp-displacement analysis (Abaqus Theory Manual v. 5.8; Abaqus/Standard User’s Manual v. 6.5). Prowadzenie obli-czeń numerycznych z zastosowaniem analizy sprzężonej stanowi bardziej złożone zagadnienie w porównaniu z kla-

syczną analizą wytrzymałościową, wymagające wykorzy-stania komputerów posiadających duże moce obliczeniowe oraz oprogramowania umożliwiającego prowadzenie obli-czeń w tym zakresie. Dodatkowe zagadnienie stanowi po-równanie otrzymanych wyników obliczeń numerycznych z rezultatami badań doświadczalnych, stanowiące bieżącą formę weryfikacji poprawności zastosowanych w oblicze-niach modeli numerycznych.

2. PRZEDMIOT I ZAKRES BADAŃ

Przedmiot badań stanowiła numeryczna analiza MES elementów silnika wolnossącego ZS typu 4C90. Zakres obliczeń obejmował wyznaczenie rozkładów temperatury oraz naprężenia zredukowanego w obszarze rozpatrywanej konstrukcji, będących podstawą do oceny stanu wytężenia poszczególnych elementów konstrukcji w warunkach ich eksploatacji. Obliczenia prowadzono w zakresie geome-trycznie nieliniowym z wykorzystaniem metody przyrosto-wo-iteracyjnej Newtona-Raphsona (Rusiński i inni, 2000).

Ze względu na duży rozmiar modelu numerycznego za-stosowano izotropowe i liniowo-sprężyste charakterystyki materiałowe w całym zakresie obciążania. Zaprezentowana analiza numeryczna stanowiła przykład sprzężonej analizy temperaturowo-przemieszczeniowej, natomiast zastosowa-nym narzędziem numerycznym był program Abaqus/Stan-dard (Abaqus Theory Manual v. 5.8; Abaqus/Standard User’s Manual v. 6.5), umożliwiający wykonywanie obli-czeń MES w zakresie nieliniowym.

3. OBLICZENIA NUMERYCZNE

Model dyskretny konstrukcji silnika zbudowano w oparciu o przestrzenne elementy bryłowe typu hexago-nalnego: 8-węzłowe oraz typu tetragonalnego: 4-węzłowe.

Hubert Dębski, Józef Jonak Sprzężona temperaturowo-przemieszczeniowa analiza numeryczna MES elementów silnika ZS

20

Prowadzenie analizy sprzężonej wymaga zastosowania specjalnych elementów do analizy temperaturowo-odkształ-ceniowej, posiadających po trzy translacyjne stopnie swo-body w każdym węźle oraz czwarty dodatkowy stopień swobody umożliwiający wyznaczenie temperatury w obsza-rze elementu. Zastosowanie tego typu elementu skończone-go umożliwia jednoczesne wyznaczenie pól temperatury oraz na ich podstawie rozkładów naprężenia w badanej konstrukcji. Całkowita liczba elementów skończonych w modelu dyskretnym wynosiła 371095, co w konsekwen-cji sprowadzało się do rozwiązania zagadnienia numerycz-nego posiadającego 533952 stopnie swobody (liczba rów-nań zagadnienia obliczeniowego).

Zastosowane w modelu interakcje kontaktowe zdefi-niowane zostały na powierzchniach przylegania głowicy z blokiem silnika oraz pomiędzy trzonkami zaworów z prowadnicami. Do połączenia elementów składowych konstrukcji zastosowano interakcje typu Tie umożliwiające „zszycie” siatek elementów skończonych. Zdefiniowanie warunków brzegowych dla analizy sprzężonej wymagało określenia zarówno przemieszczeniowych ograniczeń wę-złów modelu jak również nałożenia warunków wynikają-cych z zagadnienia cieplnego, przyjętych wg Gardyńskiego i innych (2008) oraz Hejwowskiego i innych (2008). Połą-

czenie głowicy z blokiem silnika zrealizowano poprzez połączenia śrubowe zamodelowane za pomocą elementów belkowych.

Obliczenia numeryczne prowadzono w dwóch etapach. Zakres pierwszego etapu obliczeń obejmował fazę roz-grzewania silnika trwającą 1800 sekund i przeprowadzoną przy otwartych grzybkach obydwu zaworów. W drugim etapie obliczeń zawory zostały zamknięte i obciążone ci-śnieniem wynikającym z ciśnienia gazów w cylindrze wy-noszącym 6.7 MPa oraz dodatkowo siłami docisku ze stro-ny sprężyn. Czas realizacji drugiego etapu obliczeń wynosił 1 sekundę.

4. WYNIKI OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH

Przeprowadzona analiza numeryczna pozwoliła wyzna-czyć rozkłady temperatury oraz naprężenia zredukowanego, wyznaczonego wg hipotezy wytrzymałościowej Hubera-Misesa-Hencky’ego w poszczególnych elementach badane-go silnika. Widok ogólny rozkładu temperatury oraz naprę-żenia zredukowanego w elementach modelu przedstawia rysunku 1.

Rys. 1. Wyniki obliczeń MES: rozkład temperatury oraz naprężenia H-M-H w modelu silnika

Rys. 2. Wyniki obliczeń MES: rozkład temperatury i naprężenia zredukowanego H-M-H w głowicy oraz zaworach silnika

acta mechanica et automatica, vol.3 no.2 (2009)

21

Badania doświadczalne (Gardyński i inni, 2008; Hejwowski i inni, 2008; Oanta i Taraza, 2001; Wajand i Wajand, 1997) wykazują występowanie stref newralgicz-nych w badanej konstrukcji, umiejscowionych przede wszystkim w głowicy oraz gniazdach zaworów i w samych zaworach. Wartości temperatur oraz naprężenia zreduko-wanego w tych elementach będą zatem determinowały wytrzymałość konstrukcji silnika. Na rysunku 2 zaprezen-towano wyniki obliczeń numerycznych dla najbardziej obciążonych elementów silnika, będących podstawą oceny stanu wytężenia badanej konstrukcji.

5. PODSUMOWANIE

Przeprowadzone obliczenia numeryczne dostarczają istotnych informacji, mogących stanowić podstawę oceny stanu wytężenia poszczególnych elementów konstrukcji analizowanego silnika. Dotyczy to przede wszystkim ele-mentów szczególnie narażonych na powstawanie uszko-dzeń eksploatacyjnych, do jakich można zaliczyć głowicę, gniazda zaworów oraz zawory silnika, w których występują najwyższe poziomy naprężenia. Otrzymane wyniki obli-czeń numerycznych wskazują newralgiczne miejsca anali-zowanej konstrukcji, znajdujące potwierdzenie w wynikach badań eksperymentalnych. Otrzymane najwyższe poziomy naprężenia w strefie głowicy pomiędzy gniazdami zaworo-wymi znajdują potwierdzenie w rzeczywistej konstrukcji, w której rejon mostka międzyzaworowego jest strefą naj-bardziej narażoną na uszkodzenie (Gardyński i inni, 2008; Wajand i Wajand, 1997). Obliczenia numeryczne wykazały również odkształcenia gniazd zaworowych oraz przemiesz-czenia osi zaworów w stosunku do gniazd, będące przyczy-ną powstawania nadmiernych nacisków podczas eksploata-cji, prowadzących do przyspieszonego zużycia tych ele-mentów (Hejwowski i inni, 2008). Przeprowadzona analiza numeryczna potwierdza możliwość wykorzystania symula-cji MES w zakresie analizy sprzężonej jako alternatywnej i uzupełniającej metody badań w stosunku do prowadzo-nych prac eksperymentalnych.

LITERATURA

1. Gardyński L., Dębski H., Hejwowski T., Weroński A., Nastaj T. (2008), Analiza przyczyn uszkodzeń głowic silników diesla 4C90, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No.3, Warszawa.

2. Hejwowski T., Dębski H., Gardyński L., Nastaj T. (2008), Analiza przyczyn uszkodzeń zaworów dolotowych i wyloto-wych silników diesla, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 15, No.3, Warszawa.

3. Oanta E., Taraza D. (2001), Experimental investigation of the strains and stress in the cylinder block of a marine diesel engine, SAE Technical Paper Series, 2001-01-0520.

4. Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T. (2000), Za-awansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław.

5. Wajand J. A., Wajand J. T. (1997), Tłokowe silniki spalino-we średnio – i szybkoobrotowe, WNT, Warszawa.

6. Abaqus Theory Manual v. 5.8, Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc. 1998.

7. Abaqus/Standard User’s Manual v. 6.5, Hibbit, Karlsson & Sorensen, Inc. 2005.

THERMALLY COUPLED FEM ANALYSIS OF DIESEL ENGINE COMPONENTS

Abstract: The paper contains results of numerical analysis of stress, temperature and deformation distributions in diesel engine components, performed by means of MES. The scope of calculations include thermally coupled analysis of structural components, in which linear elastic properties and geometrically nonlinear problems were taken into account. The application of thermally coupled analysis, which enabled to consider simulta-neously thermal fields and related deformation distributions, had a significant effect on the results obtained. Such approach enables to carry out a complex analysis of thermally loaded structures and requires application of special type elements with an additional degree of freedom to take thermal problems into consideration.