Η CAE Βελτιστοποιεί τη Διάρκεια Ζωής από Κόπωση σε Στρόφαλους Κινητήρων Diesel

Φανταστείτε ένα βαρύ φορτηγό να κινείται σε τραχύ ορεινό έδαφος, με τη μηχανή του να βρυχώνεται με δύναμη.Πίσω από αυτό το φαινομενικά απλό σενάριο κρύβεται ένα κρίσιμο συστατικό που αντέχει σε αδιανόητη πίεση: ο στρογγυλούξος.Ως ένα από τα βασικά στοιχεία του κινητήρα, η αξιοπιστία του κυρτόξυλου επηρεάζει άμεσα τη συνολική απόδοση του μηχανήματος και τη μακροζωία του.Αλλά πώς μπορούν οι μηχανικοί να εξασφαλίσουν σταθερή λειτουργία κάτω από ακραίες συνθήκες, αποτρέποντας ταυτόχρονα καταστροφικές αποτυχίες κόπωσης;?

Στους κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι στρογγυλοξάντρες εκτελούν τη ζωτική λειτουργία της μετατροπής της αλληλοκίνησης του έμβολο σε περιστροφική δύναμη που τροφοδοτεί οχήματα και εξοπλισμό.Εργασία σε συνδυασμό με κεφαλές κυλίνδρων, συνδέοντας ράβδους, άξονες ζεύξης και μπλοκ κινητήρα, οι στρογγυλοάξονες αντέχουν σύνθετα, επαναλαμβανόμενα δυναμικά φορτία καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής τους.

Αυτά τα φορτία περιλαμβάνουν δυνάμεις που παράγονται από την πίεση καύσης του κυλίνδρου και αδράνεια από την άνιση κατανομή μάζας.Τα δομικά χαρακτηριστικά, όπως τα φιλέτα των κατσαβίδων και οι τρύπες πετρελαίου, δημιουργούν ζώνες συγκέντρωσης άγχους ̇ ιδανικές θέσεις για πιθανή αποτυχία κόπωσηςΩς ο πιο συνηθισμένος τρόπος βλάβης στους στροφαλοάξονες, τα κατάγματα κόπωσης μπορούν να προκαλέσουν σοβαρή βλάβη στον κινητήρα και δυνητικά επικίνδυνα ατυχήματα, καθιστώντας απαραίτητη την επαλήθευση της αξιοπιστίας.

Οι σύγχρονες προκλήσεις σχεδιασμού, συμπεριλαμβανομένων των απαιτήσεων για υψηλότερη χωρητικότητα ωφέλιμου φορτίου, ελαφρύτερο βάρος, βελτιωμένη απόδοση και συντομότερους κύκλους φορτίου, έχουν εντείνει την πίεση στην μηχανική του κυλινδρικού άξονα.Οι παραδοσιακές μεθόδοι σχεδιασμού που βασίζονται στην εμπειρία και τις φυσικές δοκιμές αποδεικνύονται τόσο χρονοβόρες όσο και δαπανηρέςΗ ανάλυση με υποβοηθούμενη από υπολογιστή μηχανική (CAE) επιτρέπει τώρα την πρόβλεψη και βελτιστοποίηση των επιδόσεων κατά τις πρώτες φάσεις σχεδιασμού, μειώνοντας σημαντικά τα χρονοδιαγράμματα ανάπτυξης, ενώ ενισχύει την αξιοπιστία.

Η παρούσα έρευνα παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση ανάπτυξης με βάση το CAE για τους κλικάξονες των τετρακύλινδρων κινητήρων ντίζελ, που εκτείνεται από το σχεδιασμό της έννοιας μέχρι την τελική επικύρωση.Η μεθοδολογία ενσωματώνει τα ακόλουθα βασικά στάδια ανάλυσης:

• Ανάλυση ελεύθερων δονήσεων:Καθορίζει τις φυσικές συχνότητες και τα σχήματα των συνθηκών για την προσαρμογή των μοδατικών παραμέτρων και την πρόληψη συνθηκών συντονισμού που θα μπορούσαν να ενισχύσουν τις δονήσεις και να επιταχύνουν την κόπωση.
• Αναλυτική ανάλυση ιπτάμενης/στροφικής δυσκαμψίας:Αξιολογεί την αντοχή της κάθε στροφής της μανικέτας στην παραμόρφωση, καθώς η ανεπαρκής δυσκαμψία μπορεί να επηρεάσει τις επιδόσεις του κινητήρα και τη διάρκεια ζωής.
• Υπολογισμός του συντελεστή συγκέντρωσης άγχους (SCF):Εντοπίζει τοπικές κορυφές πίεσης σε κρίσιμες περιοχές του φιλέτου, όπου συνήθως προκύπτουν οι αποτυχίες κόπωσης.
• Αναλυτική Δυναμική Διαστήματος:Συμμετέχει στην προσομοίωση της συμπεριφοράς του πλήρους συστήματος κρανκτρέιν (συμπεριλαμβανομένου του τροχού πεταλούδας και της τροχαίας) υπό συνθήκες λειτουργίας για να χαρτογραφήσει τα πρότυπα κατανομής των πιέσεων.
• Αξιολόγηση της ζωής λόγω κόπωσης:Χρησιμοποιεί τα αποτελέσματα άγχους από την ανάλυση μεταβατικών περιστατικών για την πρόβλεψη της διάρκειας ζωής μέσω εξειδικευμένου λογισμικού (π.χ. FEMFAT), ενημερώνοντας τις στρατηγικές σχεδιασμού και συντήρησης.

3.1 Εφαρμογή φορτίου και όρια

Η ακριβής προσομοίωση φορτίου αποτελεί το θεμέλιο της ακριβούς ανάλυσης CAE.μοντελοποίηση δύο πλήρων περιστροφών του στρογγυλούλου για την κάλυψη όλων των συμβάντων καύσηςΑπό τα διαγράμματα γωνίας πίεσης-σφυρίχτρας (P-θ), τα δυναμικά φορτία υλοποιούνται ως γωνιακές/χρονοεξαρτώμενες λειτουργίες στις αντίστοιχες θέσεις.Ο κύκλος περιστροφής διαιρείται σε 360 αυξήσεις για λεπτομερή ανάλυση.

Οι όρια αναπαράγουν τους πραγματικούς περιορισμούς εγκατάστασης.Πρόσθετες εκτιμήσεις περιλαμβάνουν τις επιδράσεις της ταινίας λιπαντικού ελαίου, τα οποία μειώνουν την τριβή επηρεάζοντας ταυτόχρονα τα χαρακτηριστικά δονήσεων.

3.2 Ανάλυση ελεύθερων δονήσεων

Αυτή η φάση προσδιορίζει τις φυσικές συχνότητες δονήσεων και τα αντίστοιχα σχήματα τρόπου χωρίς εξωτερική διέγερση.Οι αναλυτές διαχωρίζουν τον κυλινδρικό άξονα σε υπολογιστικά στοιχεία για να λύσουν εξισώσεις κίνησηςΤα αποτελέσματα καθοδηγούν σε διαρθρωτικές προσαρμογές, που τροποποιούν τη δυσκαμψία ή την κατανομή μάζας, ώστε να μετατοπίζονται οι φυσικές συχνότητες μακριά από τις περιοχές λειτουργικής διέγερσης και να αποφεύγεται ο συντονισμός.

3.3 Αξιολόγηση της κοπής και της στρεβλωτικής δυσκαμψίας

Ως κρίσιμοι δείκτες της αντοχής σε παραμόρφωση, οι τιμές κοπής και στροφής υπολογίζονται μέσω προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων που εφαρμόζουν φορτία στιγμής ή ροπής.Η υπερβολική παραμόρφωση από ανεπαρκή δυσκαμψία μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την σφραγίδα του κυλίνδρου (λιγάνωση) ή να μειώσει την ισχύ (στροφή)Τα ευρήματα ενημερώνουν για βελτιστοποιήσεις διαστάσεων ή υλικών για την ενίσχυση της ακαμψίας.

3.4 Καθορισμός συντελεστή συγκέντρωσης στρες

Οι γεωμετρικές διακοπές, όπως οι μεταβάσεις των φιλετών και οι τρύπες πετρελαίου δημιουργούν τοπική ένταση άγχους, ο κύριος παράγοντας της αποτυχίας της κόπωσης.Οι τιμές SCF (συνέπεια κορυφής προς ονομαστική τάση) προέρχονται από εκλεπτυσμένους υπολογισμούς πλέγματος πεπερασμένων στοιχείων και πεδίου τάσης.Τα αποτελέσματα οδηγούν σε γεωμετρικές βελτιώσεις, όπως διεύρυνση των ακτίνων των φαλετών ή βελτιστοποίηση των προφίλ μετάβασης για τον μετριασμό των συγκεντρώσεων στρες.

3.5 Τροποποιημένη δυναμική προσομοίωση

Αυτή η προηγμένη ανάλυση καταγράφει τη συμπεριφορά του συστήματος που εξαρτάται από το χρόνο, συμπεριλαμβανομένων των αδρανειακών, αποσβεστικών και μη γραμμικών επιδράσεων.και τροχαλίες. Η προσομοίωση σεναρίων πραγματικού κόσμου ̇ εκκίνηση, επιτάχυνση, επιβράδυνση ̇ η ανάλυση παράγει μετατόπιση, ταχύτητα, επιτάχυνση και ιστορικά στρες για την αξιολόγηση της κόπωσης.

3.6 Προβλέψεις για τη διάρκεια ζωής λόγω κόπωσης

Χρησιμοποιώντας ιστορικά μεταβατικών στρες ως εισροή, το λογισμικό ανάλυσης κόπωσης εφαρμόζει μοντέλα καμπύλης S-N ή ε-N για τον υπολογισμό της σωρευτικής βλάβης από κυκλικό φορτίο.Όταν η συσσώρευση ζημιών φτάνει σε κρίσιμα όριαΑυτή η ικανότητα πρόβλεψης ενημερώνει τις προσδοκίες ζωής σχεδιασμού και τα προγράμματα συντήρησης.

Τα αποτελέσματα CAE επιτρέπουν τον καθορισμό των διαμετρικών προδιαγραφών, της επιλογής υλικών και των διαδικασιών θερμικής επεξεργασίας με βάση τα δεδομένα.βελτιωμένα σχέδια φιλέτωνΟι μηχανικοί πρέπει επίσης να συντονίζουν τις παραμέτρους του κυλινδρικού άξονα με τα παρακείμενα στοιχεία ∆ηομετρία συνδέσεων, ιδιότητες μάζας του κυλινδρικού τροχού ∆ηομετρών για να εξασφαλίσουν τη συμβατότητα του συστήματος.

Αυτή η μεθοδολογία που βασίζεται στο CAE παρέχει ολοκληρωμένη αξιολόγηση της απόδοσης του κυρτόξυλου από την αρχική ιδέα μέχρι την τελική επικύρωση.χαρτογράφηση συγκέντρωσης άγχους, η παροδική δυναμική και η πρόβλεψη κόπωσης επιτρέπουν στοχευμένες βελτιστοποιήσεις που μειώνουν το χρόνο ανάπτυξης και το κόστος, βελτιώνοντας παράλληλα την αξιοπιστία.Ο αναπτυσσόμενος ρόλος του στον σχεδιασμό του κυλινδρικού άξονα θα συνεχίσει να οδηγεί την καινοτομία στην απόδοση του κινητήρα και την αντοχή του.