Đề tài: Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Luận văn thạc sĩ năm 2011 Đề tài: Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn Xylanh là chi tiết không thể thiếu được trong ĐCĐT, xylanh được lắp trong khối xylanh và xung quanh được định vị bởi các gờ định vị, một đầu tiếp xúc với nắp xylanh, một đầu tự do. Xylanh cùng với piston và nắp xylanh tạo thành buồng đốt của động cơ. Trong quá trình làm việc, xylanh chịu áp suất và nhiệt độ rất lớn do hỗn hợp cháy sinh ra, gây ra ứng suất trong lòng xylanh, từ đó gây ra hư hỏng xylanh. Với đề tài “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, chúng tôi mong muốn xác định trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ, từ đó đưa ra các khuyến cáo để có quy trình chế tạo cũng như sử dụng một cách hợp lý hơn. Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, tôi đã tính toán và xác định trường nhiệt độ và ứng suất trên thành xylanh động cơ 4 kỳ D12 (loại 195S)với kết quả nhìn chung phù hợp với thực tế.Do thời gian và tài liệu có hạn, đề tài tập trung tính toán cho quá trình cháy-giãn nở khi động cơ hoạt động ổn địnhvì đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất của động cơ. Luận văn gồm có 6chương được cấu trúc như sau: Chương 1- Mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiêncứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp giải quyết vấn đề, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Chương 2: Trình bày tổng quan về kết cấu và ứng suất nhiệt trongxylanh động cơ 4 kỳ. Chương 3: Trình bày mô hình tính ứng suất nhiệt trong xylanh động cơ 4 kỳ. Chương 4: Trình bày cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất nhiệt. Chương 5: Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính ứng suất xylanh động cơ D12 (loại 195S) với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS, so sánh với kết quả tính bằng phương pháp truyền thống. Chương 6: Kết luận: Đưa ra các kết luận rút ra từ kết quả nghiên cứu của đề tài đồng thời đưa ra các kiến nghị và hướng phát triển của đề tài. CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngày nay ởnước ta cũng như trên thế giới, mặc dù xuất hiện nhiều loại động cơ như động cơ phản lực, tuabin khí, nhưng ĐCĐTkiểu xilanh - piston vẫn là một thiết bị động lực chủ yếu được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như công nghiệp, giao thông vận tải, Độ bền và tuổi thọ của động cơ phụ thuộc điều kiện làm việc (làm việc trong điều kiện sóng gió, bão tố ) và trình độ khai khác động cơnhư vận hành không đúng quy trình:thay đổi tải đột ngột, khởi động động cơ từ trạng thái nguội, chạy quá tải, không sửa chữađúng định kỳ, . Trong quá trình làm việc, những chi tiết như nắp xilanh, xilanh, piston, xécmăng luôn tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ và áp suất rất cao và thay đổi theo chu kỳ, giá trị của chúng phụ thuộc vào vòng quay, phụ tải, góc phun sớm nhiên liệu vì vậy các chi tiết này chịu ứng suất cơ –nhiệt lớn và luôn luôn thay đổi. Thực tế cho thấy nhóm chi tiết xilanh –piston –xécmăng thường bị hỏng sớm nhất trong số các chi tiết chính của động cơ như nứt xilanh, bó piston, trong lúc khởi động hoặc đang khai thác. Và những hư hỏng này thường chỉ xuất hiện tại những khu vực nhất định trên chi tiết, những khu vực này được xem là chịu tải nặng nề nhất. Điều kiện đặt ra với những người nghiên cứu là tìm ra nguyên nhân và biện pháp xử lý chúng. Vì vậy vấn đề nghiên cứu trường ứng suất nhiệt trên thành xilanh là rất cần thiết nhằm giải quyết ngày càng chính xác hơn bài toán trạng thái ứng suất và biến dạng của xilanh để tăng tuổi thọ cho động cơ. Mặc dù đã có nhiều phương pháp tính ứng suất và biến dạng của xilanh, các phương pháp này trong nhiều trường hợp không đáp ứng được các yêu cầu đặt ra về mức độ chính xác do sử dụng các mô hình tínhkhá xa với thực tế. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu sự phân bố ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ 4 kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn”. 1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU  Tình hình nghiên cứu trong nước Theo tôi được biết, hiện tại trong nướcchưa có công trình nghiên cứu về đề tài luận văn mà chỉ có một số công trình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của ĐCĐT như trong Luận văn thạc sỹ kỹ thuật của Trần An Xuân, với mục đích tính ứng suất và biến dạng của piston ĐCĐT bằng PP PTHH. [13]  Tình hình nghiên cứu trên thế giới Hiện nay trên thế giới có rất ít công trình nghiên cứu tính ứng suất nhiệt trên thành xylanh của ĐCĐT, như nghiên cứu của K. S. Lee and D. N. Assanis, được tiến hành trên đối tượng là xylanh được chế tạo bằng vật liệu thạch anh và tính toán ở hai chế độ hoạt động của động cơ (chế độ ổn định và chế độ tức thời) để tìm ra điều kiện biên tối ưu. Tác giả ứng dụng PP PTHH để xác định phân bố nhiệt độ và ứng suất. Kết quả nghiên cứu này đã được đối chiếu với kết quả đo đạt và các số liệu được nghiên cứu trước đó. Theo nghiên cứu này, để giảm giá trị ứng suất, có 3 cách thức làm mát cho xylanh: đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức mức độ bình thường và đối lưu cưỡng bức mạnh. Lực ma sát, áp suất buồng đốt được xét đến khi tính ứng suất cơ. Chiều dày thành xylanh được thay đổi để tìm ra chiều dày tối ưu. Theo kết quả nghiên cứu, giá trị lớn nhất đạt tại mép trong xylanh tiếp giáp với nắp quy lát, l àm mát bên ngoài xylanh bằng đối lưu cưỡng bức là phương pháp rất hiệu quả để giảm ứng suất nhiệt lớn nhất trên thành xylanh. Tuy nhiên, nhiệt độ lớn nhất gần bằng nhiệt độ cho phép của thạch anh. Mặt khác, xylanh thạch anh được làm mát bằng đối lưu cưỡng bức mạnh có thể hoạt động với hệ số an toàn khoảng 2.7. [14] Ngoài ra có rất nhiều côngtrình nghiên cứu các chi tiết chịu nhiệt khác của động cơ như: -Nghiên cứu của Pramote Dechaumphai và Wiroj Lim thuộc Đại học Chulalongkorn (Thái Lan): Tính ứng suất nhiệt của piston ĐCĐT bằng PP PTHH.[15] -Nghiên cứu của R. Tichánek, M. Španiel, M. Diviš: Phân tích ứng suất kết cấu đầu xylanh động cơ C/28, bài toán được tính bằng PP PTHH với sự hỗ trợ của phần mềm ABAQUS.[16] -Nghiên cứu của Miroslav Španiel, Radek Tichánek: tác giả sử dụng PP PTHH để phân tích ứng suất cơ và nhiệt ở chế độ nhiệt ổn định của động cơ diesel hoạt động ở Mecca.[17] 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu cơ sở lý thuyết tính toán phân bố ứng suất nhiệt trong kết cấu chịu tải nhiệt nói chung và kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng theo phương pháp phần tử hữu hạn. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn (sử dụng cho mục đích chung) để xác định sự phân bố nhiệt độ và ứng suất trong kết cấu xylanh động cơ 4 kỳ. - Đưa ra một số đề xuất cho nhà chế tạo động cơ và người sử dụng. 1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài đượcnghiên cứu trên xylanh động cơ 4 kỳ. Thực tế trong quá trình làm việc động cơ hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau: chế độ khởi động, chế độ hoạt động ổn định, chế độ ngừng đột ngột động cơ, chế độ thay đổi tải, chế độ quá tải. Trong đó chế độ hoạt động ổn định chiếm nhiều thời gian l àm việc nhất của động cơ. Trong các quá trình hoạt động của động cơ (nạp, nén, cháy -giãn nở, xả) thì quá trình cháy -giãn nở gây ra hư hỏng lớn nhất cho động cơ, đây là quá trình làm việc nguy hiểm nhất. Do thời gian có hạn nên trong đề tài này tôi chỉ nghiên cứu quá trình cháy -giãn nở trong trường hợp động cơ hoạt động ở chế độ ổn định. 1.5. PHƯƠNGPHÁP NGHIÊN CỨU Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ 4 kỳ, tính toán các quá trình nhiệt động, vẽ các đồ thị nhiệtđộ và áp suất của chu trình công tác của động cơ, từ đó tính nhiệt độ trung bình của hỗn hợp khí tại các vị trí được chọn thông qua các đồ thị nhiệt độ của hỗn hợp khí tại vị trí xét. Áp dụng công thức Haizenbek tính hệ số trao đổi nhiệt từ khí đến vách xylanh tại các vị trí được chọn tính trong từng thời điểm khác nhau và tính hệ số trao đổi nhiệt giữa vách xylanh với nước làm mát. Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng PPPTHH (sử dụng phần mềm ANSYS) đểxác định trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh. 1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI  Ý nghĩa khoa học - Hoàn thiện phương pháp tính cho bài toán xác định trường nhiệt độ, ứng suất nhiệt và biến dạng nhiệt của xylanh động cơ 4 kỳ nói riêng và ĐCĐT nói chung. - Tạo tiền đề ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tính ứng suất và biến dạng của các chi tiết chịu nhiệt của ĐCĐT.  Ý nghĩa thực tiễn - Xác định chính xác hơn phân bố nhiệt độ và ứng suất nhiệt trên thành xylanh động cơ D12 (loại 195S), từ đó đưa ra các khuyến cáo đến nhà chế tạo và người sử dụng. - Các kết quả tính toán mô phỏng mang tính trực quan sinh cung cấp t ư liệu cho giảng dạy chuyên ngành ĐCĐT. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ ỨNG SUẤT NHIỆT TRONG XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ 2.1. KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU CỦA XYLANH ĐỘNG CƠ 4 KỲ Lót xylanh là chi tiết tròn xoay được lắp trong lòng khối xylanh của động cơ và tiếp xúc với khối xylanh và nắp xylanh. Do đó ứng suất nhiệt sinh ra ở lót xylanh cũng phần nào chịu ảnh hưởng của kết cấu cũng như vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh. Nên ngoài việc nghiên cứu cấu trúc và vật liệu của lót xylanh thì ta cũng phải xét đến cấu trúc và vật liệu của khối xylanh và nắp xylanh. 2.1.1. Lót xylanh Lót xylanh là một chi tiết máy có dạng ống, được lắp vào thân máy nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của thân máy. Kết cấu của thân máy phụ thuộc rất nhiều v ào kiểu lót xylanh. Trong quá trình làm việc lót xylanh chịu tác dụng của tải trọng cơ, nhiệt lớn và bị mài mòn. Lót xylanh cũng cần phải đảm bảo khả năng giãn nở nhiệt theo hướng trục cũng như theo hướng kính. Dựa vào kết cấu của xylanh người ta chia xylanh thành các loại sau: ã Lót xylanh khô:Là loại ống lót lắp vào trong lỗ xylanh, mặt ngoài của ống lót tiếp xúc với mặt lỗ xylanh, không tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1a): Lót xylanh khô có thể lắp trên suốt chiều dài xylanh nhưng cũng có thể chỉ đóng lót ngắn ở đoạn gần ĐCT, chỗ bị mòn nhiều nhất. Từ đặc điểm lắp ghép trên, lót xylanh khô có độ cứng vững lớn, nên có thể làm mỏng và do đó tốn ít vật liệu quý; lót xylanh khô không tiếp xúc với nước làm mát do đó không sợ rò rỉ nước và lọt khí. ã Lót xylanh ướt:Đây là loại được dùng phổ biến hiện nay. Lót được lắp vào vỏ thân, mặt ngoài của lót xylanh tiếp xúc với nước làm mát (hình 2.1b). Khi thiết kế lót xylanh ướt cần phải xét đến các vấn đề sau: