CAE optymalizuje żywotność zmęczeniową wałów korbowych silników Diesla

Wyobraź sobie ciężki samochód ciężarowy pokonujący trudny górski teren, którego silnik ryczy z mocą. Za tym pozornie prostym scenariuszem kryje się krytyczny element, który znosi niewyobrażalne obciążenia - wał korbowy. Jako jeden z kluczowych elementów silnika, niezawodność wału korbowego bezpośrednio wpływa na ogólną wydajność i trwałość maszyny. Ale w jaki sposób inżynierowie mogą zapewnić stabilną pracę w ekstremalnych warunkach, jednocześnie zapobiegając katastrofalnym uszkodzeniom zmęczeniowym?

W silnikach spalinowych wały korbowe pełnią istotną funkcję przekształcania ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka w siłę obrotową, która napędza pojazdy i sprzęt. Współpracując z głowicami cylindrów, korbowodami, wałkami rozrządu i blokami silników, wały korbowe znoszą złożone, powtarzalne obciążenia dynamiczne przez cały okres eksploatacji.

Obciążenia te obejmują siły generowane przez ciśnienie spalania w cylindrach i siły bezwładności wynikające z nierównomiernego rozkładu masy. Elementy konstrukcyjne, takie jak zaokrąglenia czopów korbowych i otwory olejowe, tworzą strefy koncentracji naprężeń - główne miejsca potencjalnych uszkodzeń zmęczeniowych. Jako najczęstszy tryb uszkodzeń w wałach korbowych, pęknięcia zmęczeniowe mogą powodować poważne uszkodzenia silnika i potencjalnie niebezpieczne wypadki, co sprawia, że weryfikacja niezawodności jest niezbędna.

Współczesne wyzwania projektowe - w tym zapotrzebowanie na większą ładowność, mniejszą wagę, lepszą wydajność i krótsze cykle obciążenia - nasiliły presję na inżynierię wałów korbowych. Tradycyjne metody projektowania oparte na doświadczeniu i testach fizycznych okazują się zarówno czasochłonne, jak i kosztowne. Analiza wspomagana komputerowo (CAE) umożliwia teraz przewidywanie wydajności i optymalizację we wczesnych fazach projektowania, znacząco skracając harmonogramy rozwoju, jednocześnie zwiększając niezawodność.

Niniejsze badania przedstawiają kompleksowe podejście do rozwoju oparte na CAE dla czterocylindrowych wałów korbowych silników Diesla, obejmujące od projektu koncepcyjnego do ostatecznej walidacji. Metodologia obejmuje następujące kluczowe etapy analityczne:

• Analiza drgań swobodnych: Określa częstotliwości własne i kształty modów w celu dostosowania parametrów modalnych i zapobiegania warunkom rezonansu, które mogłyby wzmocnić wibracje i przyspieszyć zmęczenie.
• Analiza sztywności zginania/skręcania: Ocenia odporność każdego czopa korbowego na odkształcenia, ponieważ niewystarczająca sztywność może pogorszyć wydajność i żywotność silnika.
• Obliczanie współczynnika koncentracji naprężeń (SCF): Identyfikuje zlokalizowane piki naprężeń w krytycznych obszarach zaokrągleń, gdzie zazwyczaj powstają uszkodzenia zmęczeniowe.
• Analiza dynamiki przejściowej: Symuluje zachowanie całego układu korbowodu (w tym koła zamachowego i paska) w warunkach eksploatacyjnych w celu mapowania wzorców rozkładu naprężeń.
• Ocena trwałości zmęczeniowej: Wykorzystuje wyniki naprężeń z analizy przejściowej do przewidywania żywotności za pomocą specjalistycznego oprogramowania (np. FEMFAT), informując o strategiach projektowania i konserwacji.

3.1 Zastosowanie obciążenia i warunki brzegowe

Precyzyjna symulacja obciążenia stanowi podstawę dokładnej analizy CAE. Naukowcy stosują siły specyficzne dla cylindrów zgodnie z sekwencjami zapłonu, modelując dwa pełne obroty wału korbowego, aby objąć wszystkie zdarzenia spalania. Obciążenia dynamiczne, pochodzące z diagramów ciśnienie-kąt wału korbowego (P-θ), są implementowane jako funkcje kątowe/zależne od czasu w odpowiednich lokalizacjach. Cykl obrotu dzieli się na 360 przyrostów dla szczegółowej rozdzielczości.

Warunki brzegowe odzwierciedlają rzeczywiste ograniczenia instalacyjne - czopy łożysk głównych otrzymują podpory stałe lub typu łożyskowego, aby symulować połączenia z blokiem silnika. Dodatkowe rozważania obejmują wpływ filmu olejowego, który zmniejsza tarcie, wpływając jednocześnie na charakterystyki wibracyjne.

3.2 Analiza drgań swobodnych

Ta faza identyfikuje naturalne częstotliwości drgań i odpowiadające im kształty modów bez zewnętrznego wzbudzenia. Korzystając z metod elementów skończonych, analitycy dyskretyzują wał korbowy na elementy obliczeniowe w celu rozwiązania równań ruchu. Wyniki prowadzą do regulacji strukturalnych - modyfikacji sztywności lub rozkładu masy - w celu przesunięcia częstotliwości własnych z zakresów wzbudzenia operacyjnego i uniknięcia rezonansu.

3.3 Ocena zginania i skręcania

Jako krytyczne wskaźniki odporności na odkształcenia, wartości sztywności zginania i skręcania są obliczane za pomocą symulacji elementów skończonych, stosując obciążenia momentem lub momentem obrotowym. Nadmierne odkształcenia z powodu niewystarczającej sztywności mogą pogorszyć uszczelnienie cylindra (zginanie) lub zmniejszyć moc wyjściową (skręcanie). Ustalenia informują o optymalizacji wymiarowej lub materiałowej w celu zwiększenia sztywności.

3.4 Określanie współczynnika koncentracji naprężeń

Nieciągłości geometryczne, takie jak przejścia zaokrągleń i otwory olejowe, tworzą zlokalizowane wzmocnienie naprężeń - główny czynnik uszkodzeń zmęczeniowych. Wartości SCF (stosunek naprężeń szczytowych do nominalnych) są wyprowadzane za pomocą udoskonalonej siatki elementów skończonych i obliczeń pola naprężeń. Wyniki prowadzą do ulepszeń geometrycznych, takich jak powiększone promienie zaokrągleń lub zoptymalizowane profile przejść, w celu złagodzenia koncentracji naprężeń.

3.5 Symulacja dynamiki przejściowej

Ta zaawansowana analiza rejestruje zachowanie systemu w czasie, w tym efekty bezwładności, tłumienia i nieliniowe. Kompletne modele korbowodu obejmują korbowody, tłoki, koła zamachowe i paski. Symulując rzeczywiste scenariusze - uruchamianie, przyspieszanie, zwalnianie - analiza generuje historię przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń i naprężeń do oceny zmęczeniowej.

3.6 Prognozowanie żywotności zmęczeniowej

Korzystając z historii naprężeń przejściowych jako danych wejściowych, oprogramowanie do analizy zmęczeniowej stosuje modele krzywych S-N lub ε-N w celu obliczenia skumulowanych uszkodzeń spowodowanych obciążeniami cyklicznymi. Gdy kumulacja uszkodzeń osiągnie krytyczne progi, następuje awaria. Ta zdolność predykcyjna informuje o oczekiwaniach dotyczących żywotności projektu i harmonogramach konserwacji.

Wyniki CAE umożliwiają oparte na danych określanie specyfikacji wymiarowych, doboru materiałów i procesów obróbki cieplnej. Optymalizacje strukturalne mogą obejmować modyfikacje profilu czopa korbowego, ulepszone konstrukcje zaokrągleń lub strategie redukcji masy. Inżynierowie muszą również koordynować parametry wału korbowego z sąsiednimi komponentami - geometrią korbowodu, właściwościami masy koła zamachowego - aby zapewnić kompatybilność systemu.

Ta metodologia oparta na CAE zapewnia kompleksową ocenę wydajności wału korbowego od koncepcji początkowej do ostatecznej walidacji. Integracja analizy wibracji, oceny sztywności, mapowania koncentracji naprężeń, dynamiki przejściowej i przewidywania zmęczenia umożliwia ukierunkowaną optymalizację, która skraca czas i koszty rozwoju, jednocześnie poprawiając niezawodność. W miarę rozwoju technologii CAE, jej rola w projektowaniu wałów korbowych będzie nadal napędzać innowacje w zakresie wydajności i trwałości silnika.