CAE طول عمر خستگی را در شفت های چرخ دار موتور دیزل بهینه می کند

تصور کنید یک کامیون سنگین در حال حرکت در یک منطقه کوهستانی سخت است.پشت این سناریوی به ظاهر ساده یک جزء حیاتی است که فشار غیر قابل تصور را تحمل می کندبه عنوان یکی از عناصر اصلی موتور، قابلیت اطمینان کراکشافت به طور مستقیم بر عملکرد کلی ماشین و طول عمر اثر می گذارد.اما چگونه مهندسان می توانند عملکرد پایدار را در شرایط شدید تضمین کنند در حالی که از شکست های فاجعه بار خستگی جلوگیری می کنند?

در موتورهای احتراق داخلی، کریکشافت ها عملکرد حیاتی را برای تبدیل حرکت متناوب پیستون به نیروی چرخش که وسایل نقلیه و تجهیزات را حرکت می دهد، انجام می دهند.کار با سر های سیلندر، میله های اتصال، دارهای کش و بلوک های موتور، دارهای چرخ دار در طول عمر خدمت خود تحمل بارهای پویا و تکراری پیچیده را دارند.

این بارها شامل نیروهای تولید شده توسط فشار احتراق سیلندر و نیروهای بی وقفه از توزیع نابرابر جرم است.ویژگی های ساختاری مانند فیله های کرکپین و سوراخ های روغن باعث ایجاد مناطق غلظت استرس می شودبه عنوان شایع ترین حالت شکست در کراکشافت ها، شکستگی خستگی می تواند باعث آسیب شدید موتور و حوادث بالقوه خطرناک شود، بنابراین تأیید قابلیت اطمینان ضروری است.

چالش های طراحی مدرن ٫ از جمله خواسته های ظرفیت بار مفید بالاتر، وزن سبک تر، بهره وری بهبود یافته و چرخه های بار کوتاه ٬ فشار بر مهندسی کراکشافت را افزایش داده است.روش های طراحی سنتی که بر تجربه و آزمایش فیزیکی تکیه می کنند، هم وقت گیر و هم گران هستندتجزیه و تحلیل مهندسی با کمک کامپیوتر (CAE) در حال حاضر امکان پیش بینی و بهینه سازی عملکرد را در مراحل اولیه طراحی فراهم می کند، که به طور قابل توجهی زمان توسعه را کاهش می دهد و در عین حال قابلیت اطمینان را افزایش می دهد.

این تحقیق یک رویکرد توسعه جامع مبتنی بر CAE را برای شاخه های کرک موتور دیزل چهار سیلندر ارائه می دهد، از طراحی مفهومی تا اعتبارسنجی نهایی.روش شامل این مراحل کلیدی تجزیه و تحلیل است:

• تحلیل لرزش آزاد:فرکانس های طبیعی و اشکال حالت را برای تنظیم پارامترهای مودال و جلوگیری از شرایط رزونانس تعیین می کند که می تواند ارتعاش را تقویت کند و خستگی را تسریع کند.
• تجزیه و تحلیل سفتی خم شدن / پیچش:مقاومت هر چرخ چرخ را در برابر تغییر شکل ارزیابی می کند، زیرا سفتی ناکافی می تواند عملکرد موتور و طول عمر را کاهش دهد.
• محاسبه فاکتور غلظت استرس (SCF):مشخص کردن اوج استرس های محلی در مناطق بحرانی فیله، جایی که شکست های خستگی به طور معمول شروع می شود.
• تجزیه و تحلیل پویایی گذراشبیه سازی رفتار کامل سیستم کرانت ترین (از جمله چرخ پرنده و چرخ چرخ) در شرایط عملیاتی برای نقشه برداری الگوهای توزیع استرس.
• ارزیابی طول عمر خستگی:از نتایج استرس از تجزیه و تحلیل گذرا برای پیش بینی عمر سرویس از طریق نرم افزار تخصصی (به عنوان مثال FEMFAT) استفاده می کند و استراتژی های طراحی و نگهداری را اطلاع می دهد.

3.1 اعمال بار و شرایط مرزی

شبیه سازی دقیق بار پایه تجزیه و تحلیل دقیق CAE را تشکیل می دهد. محققان نیروهای خاص سیلندر را با توجه به توالی شلیک اعمال می کنند.مدل سازی دو چرخش کامل کلانکسافت برای پوشش تمام حوادث احتراقاز نمودارهای زاویه فشار-کرک (P-θ) مشتق شده است، بار های پویا به عنوان توابع زاویه ای / وابسته به زمان در مکان های مربوطه اجرا می شوند.چرخه چرخش به 360 افزایش برای وضوح دقیق تقسیم می شود.

شرایط مرزی محدودیت های نصب واقعی را تکرار می کند ۰ژورنال های اصلی لاجینگ برای شبیه سازی اتصال بلوک موتور پشتیبانی های ثابت یا نوع لاجینگ دریافت می کنند.ملاحظات اضافی شامل اثرات فیلم روغن روان کننده است، که در حالی که بر ویژگی های ارتعاش تأثیر می گذارد، اصطکاک را کاهش می دهد.

3.2 تجزیه و تحلیل لرزش آزاد

این مرحله فرکانس های لرزش طبیعی و اشکال حالت مربوطه را بدون تحریک خارجی شناسایی می کند. با استفاده از روش های عنصر محدود،تحلیلگرها می توانند کراکشافت را به عناصر محاسباتی تقسیم کنند تا معادلات حرکتی را حل کنند.نتایج، تنظیمات ساختاری را هدایت می کنند تا فرکانس های طبیعی را از محدوده های تحریک عملیاتی دور کنند و از رزونانس جلوگیری کنند.

3.3 ارزیابی سفتی خم و پیچ

به عنوان شاخص های بحرانی مقاومت در برابر تغییر شکل، مقادیر سفتی خم شدن و چرخش با استفاده از شبیه سازی عناصر محدود با استفاده از بار های لحظه یا تورک محاسبه می شوند.تغییر شکل بیش از حد ناشی از سفتی ناکافی می تواند مهر و موم سیلندر را به خطر بیندازد یا قدرت خروجی را کاهش دهدیافته ها اطلاعات ابعاد یا بهینه سازی مواد برای افزایش سفتی.

3.4 تعیین فاکتور غلظت استرس

قطعیت های هندسی مانند انتقال فیله و سوراخ های روغن باعث تشدید استرس محلی می شوند که عامل اصلی شکست خستگی است.مقادیر SCF (نسبت اوج به تنش نامی) از طریق محاسبات دقیق متراکم عنصر محدود و میدان تنش حاصل می شودنتایج بهبود هندسی مانند افزایش شعاع های فیله یا پروفایل های انتقال بهینه شده برای کاهش غلظت استرس را هدایت می کند.

3.5 شبیه سازی پویا گذرا

این تجزیه و تحلیل پیشرفته رفتار سیستم وابسته به زمان را شامل اثرات بی وقفه، خنک کننده و غیرخطی می کند. مدل های کامل کرانترین شامل میله های اتصال، پیستون ها، چرخ های پرتاب،و چرخ دارها. شبیه سازی سناریوهای دنیای واقعی: شروع، شتاب، کاهش سرعت، تجزیه و تحلیل باعث ایجاد تغییر مکان، سرعت، شتاب و تاریخچه استرس برای ارزیابی خستگی می شود.

3.6 پیش بینی طول عمر خستگی

با استفاده از تاریخچه استرس های گذرا به عنوان ورودی، نرم افزار تجزیه و تحلیل خستگی مدل های منحنی S-N یا ε-N را برای محاسبه آسیب تجمعی از بارگذاری چرخه ای اعمال می کند.زمانی که تراکم خسارت به آستانه های بحرانی برسداین توانایی پیش بینی کننده انتظارات زندگی طراحی و برنامه های تعمیر و نگهداری را اطلاع می دهد.

نتایج CAE اجازه می دهد تا تعیین داده های خاصیت ابعاد، انتخاب مواد و فرآیندهای درمان حرارتی را فراهم کند. بهینه سازی های ساختاری ممکن است شامل اصلاحات پروفایل کرک وب باشد.طرح های بهبود یافته فیلهمهندسان همچنین باید پارامترهای کراکشافت را با اجزای مجاور هماهنگ کنند

این روش مبتنی بر CAE، ارزیابی جامع عملکرد کراکشافت را از طرح اولیه تا اعتبارسنجی نهایی فراهم می کند.نقشه برداری غلظت استرس، دینامیک گذرا و پیش بینی خستگی امکان بهینه سازی هدفمند را فراهم می کند که زمان توسعه و هزینه را کاهش می دهد در حالی که قابلیت اطمینان را بهبود می بخشد.نقش گسترش یافته آن در طراحی کراکشافت همچنان باعث نوآوری در عملکرد موتور و دوام خواهد شد.