intTypePromotion=1

Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12 bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

0
66
lượt xem
3
download

Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12 bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này trình bày kết quả ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ phần mềm ADAMS và ANSYS để xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12, loại 195S. Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ bốn kỳ sử dụng phần mềm ADAMS mô phỏng trên máy, tạo mô hình hình học để xác định các thông số động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, tính toán lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston, xác định lực tác dụng lên cổ khuỷu ở một số tốc độ quay khác nhau của động cơ. Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định trường ứng suất trên trục khuỷu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12 bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2014<br /> <br /> KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC<br /> <br /> NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRONG TRỤC KHUỶU<br /> ĐỘNG CƠ D12 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN<br /> RESEARCH ON DETERMINING OF STRESS FIELD IN THE CRANKSHAFT<br /> OF D12 ENGINE USING FINITE ELEMENT METHOD<br /> Nguyễn Bá Hữu1, Quách Hoài Nam2<br /> Ngày nhận bài: 28/8/2012; Ngày phản biện thông qua: 10/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/3/2014<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Bài báo này trình bày kết quả ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ phần mềm ADAMS và ANSYS<br /> để xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12, loại 195S. Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động cơ bốn<br /> kỳ sử dụng phần mềm ADAMS mô phỏng trên máy, tạo mô hình hình học để xác định các thông số động lực học của cơ cấu<br /> trục khuỷu thanh truyền, tính toán lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston, xác định lực tác dụng lên cổ khuỷu ở một số tốc độ<br /> quay khác nhau của động cơ. Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, ta xây dựng mô hình tính trên cơ sở áp dụng<br /> phương pháp phần tử hữu hạn (Sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định trường ứng suất trên trục khuỷu.<br /> Từ khóa: trường ứng suất, trục khuỷu, phương pháp phần tử hữu hạn, ADAMS, ANSYS<br /> <br /> ABSTRACT<br /> This paper presents the results of applying the finite element method with the aid of ADAMS and ANSYS software<br /> to determine the stress field in the crankshaft of D12 engine, 195S type. From the technical and structural parameter of<br /> the four-stroke cycle simulation using ADAMS software on your computer, creating geometric patterm to determine the<br /> dynamic parameters of the crankshaft connecting rod structure, calculating pressure action on top of the piston, determine<br /> the force action on the crank pin in different engine speeds. After calculating all the input parameters, we build model based<br /> on the application of the finite element method (Using ANSYS software) to determine the stress field on the crankshaft.<br /> Keywords: stress field, crankshaft, finite element method, ADAMS, ANSYS<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan<br /> trọng, chịu tải nặng nề, chế tạo khó khăn nhất trong<br /> các chi tiết của động cơ. Nó có hình học phức tạp<br /> và làm việc trong điều kiện chịu tác động của các<br /> loại tải động trong suốt quá trình khai thác động cơ.<br /> Trục khuỷu chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh<br /> ra trong quá trình cháy, các lực quán tính của các<br /> khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động<br /> quay. Các lực này gây ra mô men xoắn và uốn lớn,<br /> thay đổi cả về trị số lẫn phương chiều. Sự biến thiên<br /> có chu kỳ của các mô men quay không những chỉ<br /> gây ra các dao động xoắn và dao động dọc trục, mà<br /> trong những điều kiện nhất định có thể gây ra những<br /> ứng suất phụ rất lớn trong trục làm rạn nứt dẫn đến<br /> gãy trục.<br /> 1<br /> 2<br /> <br /> Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên,<br /> trục khuỷu luôn làm việc trong điều kiện chịu ứng<br /> suất mỏi là chủ yếu. Hình dáng phức tạp của trục<br /> khuỷu cũng tạo nên ứng suất tập trung tại một số<br /> vùng trên trục như chỗ chuyển tiếp giữa các đoạn<br /> trục, các miệng của lỗ dẫn dầu bôi trơn, ở các cổ<br /> trục dập …<br /> Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động<br /> cơ, như tăng tốc độ quay, động cơ tăng áp và sử<br /> dụng các biện pháp khác nhằm nâng cao công suất,<br /> làm cho áp lực riêng trên ổ trục cũng như ứng suất<br /> trong trục khuỷu tăng lên. Điều này dẫn đến việc<br /> tăng hao mòn của ổ và giảm tính tin cậy khi làm<br /> việc của trục trong quá trình sử dụng. Vì vậy, trục<br /> khuỷu luôn phải đảm bảo yêu cầu về độ tin cậy<br /> của trục trong những điều kiện làm việc khác nhau,<br /> <br /> Nguyễn Bá Hữu: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2009 – Trường Đại học Nha Trang<br /> TS. Quách Hoài Nam: Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 137<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 1/2014<br /> <br /> đảm bảo độ bền, độ cứng và tính chống mòn, bảo<br /> đảm thời hạn sử dụng cần thiết của trục ứng với<br /> từng loại động cơ, trục phải luôn cân bằng động lực<br /> học tốt nhất và không gây ra rung động, không có<br /> vùng dao động xoắn bị cấm trong khoảng tốc độ làm<br /> việc của động cơ. Các kích thước chính của khuỷu<br /> trục phụ thuộc vào bán kính tay quay, đường kính<br /> các cổ, các kích thước chính của khuỷu trục cần<br /> đảm bảo độ bền và độ cứng cần thiết, phải bảo đảm<br /> cho áp lực riêng tác dụng lên cổ chính và cổ khuỷu<br /> nằm trong giới hạn cho phép.<br /> Vì vậy, việc nghiên cứu xác định trường ứng<br /> suất trong trục khuỷu là rất cần thiết làm cơ sở cho<br /> việc đánh giá độ bền mỏi và tối ưu hóa kết cấu trục<br /> khuỷu góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của<br /> trục khuỷu nói riêng và động cơ nói chung, đảm bảo<br /> an toàn khi khai thác động cơ.<br /> II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> NGHIÊN CỨU<br /> 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu<br /> Trục khuỷu động cơ D12 là động cơ diesel cao<br /> tốc, 4 kỳ một xy-lanh, kiểu nằm, làm mát kiểu bốc<br /> hơi, có các thông số cơ bản như trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Các thông số cơ bản của động cơ D12<br /> TT<br /> <br /> Tên thông số<br /> <br /> Khi phân tích ứng suất, ta xét trường hợp tải<br /> nguy hiểm khi khuỷu trục nằm ở vị trí có tổng hình<br /> học của hai lực pháp tuyến và tiếp tuyến là lớn nhất.<br /> 2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động<br /> cơ 4 kỳ, sử dụng phần mềm ADAMS (đây là phần<br /> mềm mô phỏng động lực học đã được sử dụng năm<br /> năm qua ở Việt Nam) mô phỏng trên máy tính, tạo<br /> mô hình hình học để xác định các thông số hình<br /> học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu - thanh<br /> truyền, tính toán lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston<br /> và xác định lực tác dụng lên cổ khuỷu. Sau khi tính<br /> toán đầy đủ các thông số đầu vào, tác giả xây dựng<br /> mô hình tính trên cơ sở áp dụng phương pháp phần<br /> tử hữu hạn (sử dụng phần mềm ANSYS) để xác<br /> định trường ứng suất trong trục khuỷu.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Kết quả<br /> 1.1. Xác định các thông số động lực học cơ cấu trục<br /> khuỷu – thanh truyền động cơ D12<br /> Từ các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ<br /> D12 như trong bảng 1, sử dụng phần mềm ADAMS<br /> kết quả thu được các thông số động lực học của<br /> cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền như trong bảng 2.<br /> Bảng 2. Các thông số động lực học cơ cấu<br /> trục khuỷu – thanh truyền động cơ D12<br /> <br /> Ký hiệu Đơn vị Trị số<br /> <br /> 1<br /> <br /> Đường kính cổ trục chính<br /> <br /> d<br /> <br /> mm<br /> <br /> 70<br /> <br /> 2<br /> <br /> Đường kính cổ trục khuỷu<br /> <br /> dck<br /> <br /> mm<br /> <br /> 65<br /> <br /> TT<br /> <br /> 3<br /> <br /> Đường kính đầu lớn thanh truyền<br /> <br /> d1<br /> <br /> mm<br /> <br /> 65<br /> <br /> 1<br /> <br /> Khối lượng thanh truyền<br /> <br /> 0.9604557792 kg<br /> <br /> 4<br /> <br /> Đường kính đầu nhỏ thanh truyền<br /> <br /> d2<br /> <br /> mm<br /> <br /> 20<br /> <br /> 2<br /> <br /> Khối lượng cụm piston<br /> <br /> 0.474815031<br /> <br /> 3<br /> <br /> Khoảng cách từ trọng tâm<br /> G đến đầu lớn thanh truyền<br /> <br /> 23.44 X 10-3 m<br /> <br /> 4<br /> <br /> Mô men quán tính của<br /> thanh truyền<br /> <br /> 5<br /> <br /> Đường kính lỗ chốt piston<br /> <br /> dc<br /> <br /> mm<br /> <br /> 20<br /> <br /> 6<br /> <br /> Chiều cao piston<br /> <br /> lp<br /> <br /> mm<br /> <br /> 80<br /> <br /> 7<br /> <br /> Áp suất cháy cực đại<br /> <br /> Pz<br /> <br /> bar<br /> <br /> 86<br /> <br /> 8<br /> <br /> Đường kính piston<br /> <br /> D<br /> <br /> mm<br /> <br /> 95<br /> <br /> 9<br /> <br /> Hành trình piston<br /> <br /> S<br /> <br /> mm<br /> <br /> 115<br /> <br /> 10 Tốc độ quay định mức<br /> <br /> n<br /> <br /> v/p<br /> <br /> 2000<br /> <br /> 11 Công suất động cơ<br /> <br /> Ne<br /> <br /> HP<br /> <br /> 12<br /> <br /> 12 Góc xu páp xả mở sớm<br /> <br /> axs<br /> <br /> độ<br /> <br /> 43<br /> <br /> 13 Tỉ số nén<br /> <br /> ε<br /> <br /> -<br /> <br /> 20:1<br /> <br /> 14 Chiều dài thanh truyền<br /> <br /> L2<br /> <br /> mm<br /> <br /> 120<br /> <br /> 15 Bán kính tay quay trục khuỷu<br /> <br /> L1<br /> <br /> mm<br /> <br /> 57.5<br /> <br /> Trục khuỷu chịu tác động của các loại tải động,<br /> lực chủ yếu là lực quán tính của các khối lượng<br /> chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, lực khí<br /> thể sinh ra trong quá trình cháy… các loại lực này<br /> gây ra mô men xoắn và uốn lớn có thể gây hư hỏng<br /> trục khuỷu động cơ.<br /> <br /> 138 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Đại lượng<br /> <br /> Giá trị<br /> <br /> 0.8049192397277 x 10-3 kG/m2<br /> <br /> 1.2. Xác định các đại lượng động học của cơ cấu<br /> trục khuỷu - thanh truyền động cơ D12<br /> Kết quả tính các đại lượng động học của cơ cấu<br /> trục khuỷu – thanh truyền bằng phần mềm ADAMS<br /> được thể hiện trên hình 1 và 2.<br /> <br /> Hình 1. Vận tốc, gia tốc dài thanh truyền theo phương x<br /> ở tốc độ quay 2000 vòng/phút<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Hình 2. Vận tốc, gia tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút<br /> <br /> 1.3. Xác định lực khí thể lên đỉnh piston<br /> Trong tính toán bằng ADAMS/Engine, chọn chỉ<br /> số nén đa biến n1 thay đổi từ góc 1800 của quá trình<br /> nén, chỉ số giãn nở đa biến n2 không thay đổi, nhập<br /> các thông số áp suất khí trời P0 = 1, áp suất cháy<br /> cực đại Pz = 86 bar, góc mở xu pap thải trước điểm<br /> chết trên, hệ số thay đổi mol tại đểm z, góc phun<br /> sớm, tỉ số nén của động cơ.<br /> <br /> Số 1/2014<br /> 1.4. Xác định các lực chính lên cổ khuỷu động<br /> cơ D12<br /> Có hai lực chính tác dụng lên trục khuỷu động<br /> cơ: Lực do khí thể sinh ra và lực quán tính do các<br /> khối lượng chuyển động sinh ra [1], hai loại lực này<br /> là nguyên nhân chính gây ra uốn (lực FX) và xoắn<br /> (lực FY) trên trục khuỷu, độ lớn lực thay đổi khi tốc<br /> độ động cơ thay đổi. Hình 5, 6 và 7 trình bày kết quả<br /> tính lực ở tốc độ quay 2000, 2100, 2200 vòng/phút<br /> bằng phần mềm ADAMS.<br /> <br /> Hình 5. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay<br /> 2000 vòng/phút<br /> <br /> Hình 3. Giao diện nhập dữ liệu động cơ D12 vào phần mềm<br /> ADAMS/Engine<br /> <br /> Chạy chương trình cho sẽ cho kết quả dưới<br /> dạng dữ liệu số lưu trong tập tin (file) hoặc đồ thị.<br /> Hình 4 trình bày đồ thị biến thiên áp suất tác dụng<br /> lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu.<br /> <br /> Hình 6. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay<br /> 2100 vòng/phút<br /> <br /> Hình 7. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay<br /> 2200 vòng/phút<br /> <br /> Hình 4. Biến thiên áp suất tác dụng lên đỉnh piston<br /> theo góc quay trục khuỷu<br /> <br /> 1.5. Xác định ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12<br /> Bài toán xác định trường ứng suất trên trục<br /> khuỷu động cơ D12 (loại 195S) là bài toán kết cấu.<br /> Trong quá trình hoạt động trục khuỷu quay tự do<br /> trên các ổ đỡ được liên kết cố định trên thân động<br /> cơ nên tại mỗi vị trí trục khuỷu khi tính toán, ta coi<br /> trục khuỷu đặt lên các gối tự do tại vùng tiếp xúc<br /> giữa trục khuỷu và bạc ổ đỡ chính (trên góc 1800),<br /> áp lực tác dụng lên cổ khuỷu xem như phân bố đều<br /> trên góc 1200 [3] (hình 8).<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 139<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> Những vị trí nguy hiểm nhất của trục khuỷu<br /> được xem xét là [2].<br /> - Khuỷu trục nằm ở điểm chết trên, tức<br /> .<br /> - Khuỷu trục nằm ở vị trí có lực tiếp tuyến là lớn<br /> nhất, tức<br /> .<br /> - Khuỷu trục nằm ở vị trí có tổng hình học của các<br /> lực Fx và Fy đạt giá trị lớn nhất:<br /> Sử dụng phần mềm ANSYS trong phân tích<br /> ứng suất. Trong phân tích theo phương pháp phần<br /> tử hữu hạn chúng tôi sử dụng phần tử Solid 186.<br /> Việc tạo lưới được thực hiện tự động bằng phần<br /> mềm, kích thước lưới là 5 mm, lưới được chia đều<br /> cho toàn bộ mô hình (hình 8).<br /> <br /> Hình 8. Mô hình phần tử hữu hạn và điều kiện biên<br /> cho trục khuỷu<br /> <br /> Hình 9 trình bày kết quả xác định trường ứng<br /> suất của trục khuỷu động cơ D12 ở tốc độ quay<br /> 2000 vòng/phút.<br /> <br /> Hình 9. Trường ứng suất tương đương von Mises (MPa)<br /> ở tốc độ quay 2000 vòng/phút<br /> <br /> Hình 10. Phân bố chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay<br /> 2100 vòng/phút<br /> <br /> Hình 11. Biến dạng của trục khuỷu ở tốc độ quay 2100 vòng/phút<br /> <br /> Số 1/2014<br /> Ứng suất tương đương lớn nhất xuất hiện ở<br /> góc lượn giữa má khuỷu và cổ chính, kết quả tính<br /> ứng suất tương đượng lớn nhất ở các tốc độ quay<br /> khác nhau được tập hợp trong bảng 3.<br /> Bảng 3. Kết quả tính ứng suất tương đương<br /> lớn nhất ở các tốc độ quay khác nhau<br /> Tốc độ quay (vòng/phút)<br /> <br /> Giá trị ứng suất lớn nhất (MPa)<br /> <br /> 2000<br /> <br /> 78.829<br /> <br /> 2100<br /> <br /> 77.066<br /> <br /> 2200<br /> <br /> 75.304<br /> <br /> 2. Thảo luận<br /> Từ kết quả tính ứng suất bằng phương pháp<br /> phần tử hữu hạn ta có những nhận xét sau:<br /> Lực lớn nhất đặt lên cổ khuỷu khi góc quay trục<br /> khuỷu khoảng 3650 , tức là lúc quá trình cháy xảy ra<br /> mãnh liệt nhất (cũng là lúc áp suất tác dụng lên đỉnh<br /> piston lớn nhất).<br /> Kết quả tính ứng suất trong trục khuỷu động cơ<br /> nằm trong giới hạn ứng suất cho phép.<br /> Ứng suất lớn nhất nằm ở các góc chuyển tiếp<br /> (góc lượn) tại vùng chuyển tiếp giữa cổ khuỷu và<br /> má khuỷu, giữa cổ chính và má khuỷu.<br /> IV. KẾT LUẬN<br /> Từ các nghiên cứu trên các kết luận sau được<br /> rút ra:<br /> Ứng suất lớn nhất nằm ở các góc chuyển tiếp<br /> (góc lượn) tại vùng chuyển tiếp giữa cổ khuỷu và<br /> má khuỷu, giữa cổ chính và má khuỷu.<br /> Phương pháp phần tử hữu hạn có thể áp dụng<br /> tốt trong tính toán trường ứng suất cho các chi tiết<br /> phức tạp trong động cơ.<br /> Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính<br /> trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ cho kết<br /> quả nhanh chóng, cho phép ta tính được nhiều<br /> phương án và điều kiện tải trọng khác nhau.<br /> Sử dụng ADAMS cho phép xác định các thông<br /> số động lực học và lực tác dụng lên hệ thống cơ cấu<br /> động cơ một cách nhanh chóng, cùng kết hợp với<br /> phần mềm ANSYS giúp xác định ứng suất trong các<br /> chi tiết một cách thuận lợi.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1.<br /> 2.<br /> 3.<br /> <br /> Quách Đình Liên, 1993. Thiết kế nguyên lý động cơ Diesel. NXB Nông nghiệp.<br /> Va Vanseeidt, 1974. Kết cấu và tính toán động cơ diesel tàu thủy, tập 1 (Dương Đình Đối, Nguyễn Hữu Dũng dịch). NXB Đại<br /> học và Trung học chuyên nghiệp.<br /> http://www.google.com.vn/search?rlz=1T4ADFA_enVN470VN471&hl=vi&source=hp&q=Farzin H.+Montazersadgh+and<br /> +Ali+Fatemi+%282007%29%2C+Stress+Analysis+and+Optimization+of++++++++Crankshafts+to+Dynamic+Loading%<br /> 2C+The+University+of+Toledo.&gbv=2&oq=Farzin+H.+Montazer<br /> <br /> 140 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br />
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2