Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 137

KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRONG TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ D12 BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

RESEARCH ON DETERMINING OF STRESS FIELD IN THE CRANKSHAFTOF D12 ENGINE USING FINITE ELEMENT METHOD

Nguyễn Bá Hữu1, Quách Hoài Nam2

Ngày nhận bài: 28/8/2012; Ngày phản biện thông qua: 10/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/3/2014

TÓM TẮTBài 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.

Từ khóa: trường ứng suất, trục khuỷu, phương pháp phần tử hữu hạn, ADAMS, ANSYS

ABSTRACTThis paper presents the results of applying the fi nite element method with the aid of ADAMS and ANSYS software

to determine the stress fi eld in the crankshaft of D12 engine, 195S type. From the technical and structural parameter of the four-stroke cycle simulation using ADAMS software on your computer, creating geometric patterm to determine the dynamic parameters of the crankshaft connecting rod structure, calculating pressure action on top of the piston, determine the force action on the crank pin in different engine speeds. After calculating all the input parameters, we build model based on the application of the fi nite element method (Using ANSYS software) to determine the stress fi eld on the crankshaft.

Keywords: stress fi eld, crankshaft, fi nite element method, ADAMS, ANSYS

1 Nguyễn Bá Hữu: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2009 – Trường Đại học Nha Trang2 TS. Quách Hoài Nam: Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀTrụ c khuỷ u là mộ t trong nhữ ng chi tiế t quan

trọ ng, chị u tả i nặ ng nề , chế tạ o khó khăn nhấ t trong cá c chi tiế t củ a độ ng cơ. Nó có hì nh họ c phứ c tạ p và là m việ c trong điề u kiệ n chị u tá c độ ng củ a cá c loạ i tả i động trong suố t quá trì nh khai thá c động cơ.

Trụ c khuỷ u chị u tá c dụ ng củ a á p lự c khí thể sinh ra trong quá trì nh chá y, cá c lự c quá n tí nh củ a cá c khố i lượ ng chuyể n độ ng tị nh tiế n và chuyể n độ ng quay. Cá c lự c nà y gây ra mô men xoắ n và uố n lớ n, thay đổ i cả về trị số lẫ n phương chiề u. Sự biế n thiên có chu kỳ củ a cá c mô men quay không nhữ ng chỉ gây ra cá c dao độ ng xoắ n và dao độ ng dọ c trụ c, mà trong nhữ ng điề u kiệ n nhấ t đị nh có thể gây ra nhữ ng ứ ng suấ t phụ rấ t lớ n trong trụ c là m rạ n nứ t dẫ n đế n gã y trụ c.

Do tá c dụ ng củ a nhữ ng lự c và mômen nêu trên, trụ c khuỷ u luôn là m việ c trong điề u kiệ n chị u ứ ng suấ t mỏ i là chủ yế u. Hì nh dá ng phứ c tạ p củ a trụ c khuỷ u cũ ng tạ o nên ứ ng suấ t tậ p trung tạ i mộ t số vù ng trên trụ c như chỗ chuyể n tiế p giữ a cá c đoạ n trụ c, cá c miệ ng củ a lỗ dẫ n dầ u bôi trơn, ở cá c cổ trụ c dậ p …

Do xu hướng tăng cườ ng độ là m việ c củ a độ ng cơ, như tăng tố c độ quay, độ ng cơ tăng á p và sử dụ ng cá c biệ n phá p khá c nhằ m nâng cao công suấ t, là m cho á p lự c riêng trên ổ trụ c cũ ng như ứng suấ t trong trụ c khuỷ u tăng lên. Điề u này dẫ n đế n việ c tăng hao mò n củ a ổ và giả m tí nh tin cậ y khi là m việ c củ a trụ c trong quá trì nh sử dụ ng. Vì vậ y, trụ c khuỷ u luôn phả i đả m bả o yêu cầ u về độ tin cậ y củ a trụ c trong nhữ ng điề u kiệ n là m việ c khá c nhau,

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014

138 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

đả m bả o độ bề n, độ cứ ng và tí nh chố ng mò n, bả o đả m thờ i hạ n sử dụ ng cầ n thiế t củ a trụ c ứ ng vớ i từ ng loạ i độ ng cơ, trụ c phả i luôn cân bằ ng độ ng lự c họ c tố t nhấ t và không gây ra rung độ ng, không có vù ng dao độ ng xoắ n bị cấ m trong khoả ng tố c độ là m việ c củ a độ ng cơ. Cá c kí ch thướ c chí nh củ a khuỷ u trụ c phụ thuộ c và o bá n kí nh tay quay, đườ ng kí nh cá c cổ , cá c kí ch thướ c chí nh củ a khuỷ u trụ c cầ n đả m bả o độ bề n và độ cứ ng cầ n thiế t, phả i bả o đả m cho á p lự c riêng tá c dụ ng lên cổ chí nh và cổ khuỷ u nằ m trong giớ i hạ n cho phé p.

Vì vậ y, việc nghiên cứu xá c định trường ứ ng suấ t trong trụ c khuỷ u là rấ t cầ n thiế t là m cơ sở cho việ c đá nh giá độ bề n mỏ i và tố i ưu hó a kế t cấ u trụ c khuỷ u gó p phầ n nâng cao độ tin cậ y và tuổ i thọ củ a trụ c khuỷ u nó i riêng và độ ng cơ nó i chung, đả m bả o an toà n khi khai thá c độ ng cơ.

II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Trục khuỷu động cơ D12 là động cơ diesel cao

tốc, 4 kỳ một xy-lanh, kiểu nằm, làm mát kiểu bốc hơi, có các thông số cơ bản như trong bảng 1.Bảng 1. Các thông số cơ bản của động cơ D12

TT Tên thông số Ký hiệu Đơn vị Trị số

1 Đường kính cổ trục chính d mm 702 Đường kính cổ trục khuỷu dck mm 653 Đường kính đầu lớn thanh truyền d1 mm 654 Đường kính đầu nhỏ thanh truyền d2 mm 205 Đường kính lỗ chốt piston dc mm 206 Chiều cao piston lp mm 807 Áp suất cháy cực đại Pz bar 868 Đường kính piston D mm 959 Hành trình piston S mm 11510 Tốc độ quay định mức n v/p 200011 Công suất động cơ Ne HP 1212 Góc xu páp xả mở sớm axs độ 4313 Tỉ số nén ε - 20:114 Chiều dài thanh truyền L2 mm 12015 Bán kính tay quay trục khuỷu L1 mm 57.5

Trục khuỷu chịu tác động của các loại tải động, lực chủ yếu là lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay, lực khí thể sinh ra trong quá trình cháy… các loại lực này gây ra mô men xoắn và uốn lớn có thể gây hư hỏng trục khuỷu động cơ.

Khi phân tích ứng suất, ta xét trường hợp tải nguy hiểm khi khuỷu trục nằm ở vị trí có tổng hình học của hai lực pháp tuyến và tiếp tuyến là lớn nhất.

2. Phương pháp nghiên cứu Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của động

cơ 4 kỳ, sử dụng phần mềm ADAMS (đây là phần mềm mô phỏng động lực học đã được sử dụng năm năm qua ở Việt Nam) mô phỏng trên máy tính, tạo mô hình hình học để xác định các thông số hình học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền, tính toán lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston và xác định lực tác dụng lên cổ khuỷu. Sau khi tính toán đầy đủ các thông số đầu vào, tác giả 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 trong trục khuỷu.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Kết quả1.1. Xác định các thông số động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ D12

Từ các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ D12 như trong bảng 1, sử dụng phần mềm ADAMS kết quả thu được các thông số động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền như trong bảng 2.

Bảng 2. Các thông số động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ D12

TT Đại lượng Giá trị

1 Khối lượng thanh truyền 0.9604557792 kg

2 Khối lượng cụm piston 0.474815031

3 Khoảng cách từ trọng tâm G đến đầu lớn thanh truyền 23.44 X 10-3 m

4 Mô men quán tính của thanh truyền 0.8049192397277 x 10-3 kG/m2

1.2. Xác định các đại lượng động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ D12

Kết quả tính các đại lượng động học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền bằng phần mềm ADAMS được thể hiện trên hình 1 và 2.

Hình 1. Vận tốc, gia tốc dài thanh truyền theo phương xở tốc độ quay 2000 vòng/phút

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 139

Hình 2. Vận tốc, gia tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút

1.3. Xác định lực khí thể lên đỉnh pistonTrong tính toán bằng ADAMS/Engine, chọn chỉ

số nén đa biến n1 thay đổi từ góc 1800 của quá trình nén, chỉ số giãn nở đa biến n2 không thay đổi, nhập các thông số áp suất khí trời P0 = 1, áp suất cháy cực đại Pz = 86 bar, góc mở xu pap thải trước điểm chết trên, hệ số thay đổi mol tại đểm z, góc phun sớm, tỉ số nén của động cơ.

Hình 3. Giao diện nhập dữ liệu động cơ D12 vào phần mềm

ADAMS/Engine

Chạy chương trình cho sẽ cho kết quả dưới dạng dữ liệu số lưu trong tập tin (fi le) hoặc đồ thị. Hình 4 trình bày đồ thị biến thiên áp suất tác dụng lên đỉnh piston theo góc quay trục khuỷu.

Hình 4. Biến thiên áp suất tác dụng lên đỉnh pistontheo góc quay trục khuỷu

1.4. Xác định các lực chính lên cổ khuỷu độngcơ D12

Có hai lực chính tác dụng lên trục khuỷu động cơ: Lực do khí thể sinh ra và lực quán tính do các khối lượng chuyển động sinh ra [1], hai loại lực này là nguyên nhân chính gây ra uốn (lực FX) và xoắn (lực FY) trên trục khuỷu, độ lớn lực thay đổi khi tốc độ động cơ thay đổi. Hình 5, 6 và 7 trình bày kết quả tính lực ở tốc độ quay 2000, 2100, 2200 vòng/phút bằng phần mềm ADAMS.

Hình 5. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay2000 vòng/phút

Hình 6. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay2100 vòng/phút

Hình 7. Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay 2200 vòng/phút

1.5. Xác định ứng suất trong trục khuỷu động cơ D12Bài toán xác định trường ứng suất trên trục

khuỷu động cơ D12 (loại 195S) là bài toán kết cấu. Trong quá trình hoạt động trục khuỷu quay tự do trên các ổ đỡ được liên kết cố định trên thân động cơ nên tại mỗi vị trí trục khuỷu khi tính toán, ta coi trục khuỷu đặt lên các gối tự do tại vùng tiếp xúc giữa trục khuỷu và bạc ổ đỡ chính (trên góc 1800), áp lực tác dụng lên cổ khuỷu xem như phân bố đều trên góc 1200 [3] (hình 8).

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014

140 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Những vị trí nguy hiểm nhất của trục khuỷu được xem xét là [2].

- Khuỷu trục nằm ở điểm chết trên, tức . - Khuỷu trục nằm ở vị trí có lực tiếp tuyến là lớn

nhất, tức .- Khuỷu trục nằm ở vị trí có tổng hình học của các

lực Fx và Fy đạt giá trị lớn nhất: Sử dụng phần mềm ANSYS trong phân tích

ứng suất. Trong phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn chúng tôi sử dụng phần tử Solid 186. Việc tạo lưới được thực hiện tự động bằng phần mềm, kích thước lưới là 5 mm, lưới được chia đều cho toàn bộ mô hình (hình 8).

Hình 8. Mô hình phần tử hữu hạn và điều kiện biêncho trục khuỷu

Hình 9 trình bày kết quả xác định trường ứng suất của trục khuỷu động cơ D12 ở tốc độ quay 2000 vòng/phút.

Hình 9. Trường ứng suất tương đương von Mises (MPa)ở tốc độ quay 2000 vòng/phút

Hình 10. Phân bố chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay 2100 vòng/phút

Hình 11. Biến dạng của trục khuỷu ở tốc độ quay 2100 vòng/phút

Ứng suất tương đương lớn nhất xuất hiện ở góc lượn giữa má khuỷu và cổ chính, kết quả tính ứng suất tương đượng lớn nhất ở các tốc độ quay khác nhau được tập hợp trong bảng 3.

Bảng 3. Kết quả tính ứng suất tương đương lớn nhất ở các tốc độ quay khác nhau

Tốc độ quay (vòng/phút) Giá trị ứng suất lớn nhất (MPa)

2000 78.829

2100 77.066

2200 75.304

2. Thảo luậnTừ kết quả tính ứng suất bằng phương pháp

phần tử hữu hạn ta có những nhận xét sau:Lực lớn nhất đặt lên cổ khuỷu khi góc quay trục

khuỷu khoảng 3650 , tức là lúc quá trình cháy xảy ra mãnh liệt nhất (cũng là lúc áp suất tác dụng lên đỉnh piston lớn nhất).

Kết quả tính ứng suất trong trục khuỷu động cơ nằm trong giới hạn ứng suất cho phép.

Ứng suất lớn nhất nằm ở các góc chuyển tiếp (góc lượn) tại vùng chuyển tiếp giữa cổ khuỷu và má khuỷu, giữa cổ chính và má khuỷu.

IV. KẾT LUẬN Từ các nghiên cứu trên các kết luận sau được

rút ra:Ứng suất lớn nhất nằm ở các góc chuyển tiếp

(góc lượn) tại vùng chuyển tiếp giữa cổ khuỷu và má khuỷu, giữa cổ chính và má khuỷu.

Phương pháp phần tử hữu hạn có thể áp dụng tốt trong tính toán trường ứng suất cho các chi tiết phức tạp trong động cơ.

Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính trường ứng suất trong trục khuỷu động cơ cho kết quả nhanh chóng, cho phép ta tính được nhiều phương án và điều kiện tải trọng khác nhau.

Sử dụng ADAMS cho phép xác định các thông số động lực học và lực tác dụng lên hệ thống cơ cấu động cơ một cách nhanh chóng, cùng kết hợp với phần mềm ANSYS giúp xác định ứng suất trong các chi tiết một cách thuận lợi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO1. Quách Đình Liên, 1993. Thiết kế nguyên lý động cơ Diesel. NXB Nông nghiệp. 2. Va Vanseeidt, 1974. Kết cấu và tính toán động cơ diesel tàu thủy, tập 1 (Dương Đình Đối, Nguyễn Hữu Dũng dịch). NXB Đại

học và Trung học chuyên nghiệp.3. http://www.google.com.vn/search?rlz=1T4ADFA_enVN470VN471&hl=vi&source=hp&q=Farzin H.+Montazersadgh+and

+Ali+Fatemi+%282007%29%2C+Stress+Analysis+and+Optimization+of++++++++Crankshafts+to+Dynamic+Loading%2C+The+University+of+Toledo.&gbv=2&oq=Farzin+H.+Montazer