06-19 هصفح ،(9319 پاييز) 82 ةپژوهشي تحقيقات موتور، شمار -علمي فصلنامة

پژوهشي تحقيقات موتور -فصلنامة علمي

www.engineresearch.ir: تارنماي فصلنامه

مکانيکي در بستار موتور ديزل با استفاده از الگوي -هاي حرارتي‌تحليل اجزاي محدود تنش

مومسان لزج دواليه -ارتجاعي

3، محمد آزادي8درتي، محمد ق*9غالمحسين فرهي

farrahi@sharif.eduتهران، ايران، , دانشگاه صنعتي شريف9 ghodrati@mech.sharif.eduدانشگاه صنعتي شريف، تهران، ايران، 8 m_azadi@ip-co.com، تهران، ايران، (ايپکو)خودرو ‌ايرانشرکت تحقيق، طراحي و توليد موتور 3 689-00901133: نويسندة مسئول، شمارة تماس*

چکيده

اطالعات مقاله

اين تحليل اجزاي . مکانيکي بستار موتور ديزل است -سازي رفتار حرارتيهدف اين مقاله، شبيههاي خستگي ابتدا براي بيان رفتار ماده، از نتايج آزمون. انجام شد ABAQUSافزار محدود در نرم

استفاده شده است و ( عمر کرنش مکانيکي در چرخة نيمه -منحني تنش)بسامد در دماهاي متفاوت کمهاي خستگي با آزمون. مومسان لزج دواليه استخراج شده است -ثوابت مادي در الگوي ارتجاعي

( A356.0)منيزيم -سيليسيوم -فشار بر روي همبستة آلومينيوم -و به صورت کششپايش کرنش درجة 816و 866، 81سپس، با استفاده از اين ثوابت مادي در دماهاي . انجام پذيرفته است

گذاري نشان داد که الگوي نتايج صحه. مکانيکي بستار محاسبه شد -هاي حرارتيسانتيگراد، تنشهمبستة آلومينيوم، دقت ( هيسترزيس)ي دگان دواليه براي تخمين رفتار وامانلزج مومس -ارتجاعي

ها در بين دهندة محل ترك خوردگيسازي اجزاي محدود بستار نيز، نشاننتايج شبيه. مناسبي داردهمچنين، مقدار کرنش لزج محاسبه شده، اگرچه کمتر از مقدار کرنش مومسان است، . هاستدريچه

.باشدشي نمياما قابل چشم پو

.محفوظ است نجمن علمي موتور ايرانتمامي حقوق براي ا

:مقاله ةتاريخچ 9318 شهريور 82: دريافت 9318 مهر 60: پذيرش

:ها کليدواژه تحليل اجزاي محدود

تنش ترمومکانيکي بستار موتور ديزل

مومسان لزج دواليه -الگوي ارتجاعي

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

18 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

مقدمه( 1زي همواره به دنبال افزايش بازدهي موتور و بهبود سا صنعت خودرو

براي اين منظور، کاهش وزن خودرو و . کارکرد خودروها بوده استهاي آلومينيوم استفاده از همبسته. موتور، يکي از راهکارهاست

بخصوص در محفظة احتراق و بستار موتور، کاهش وزن چشمگيري را همچنين، براي افزايش بازدهي .ها درپي دارددر مقايسه با انواع چدن

درجة سانتيگراد در موتورهاي 976موتور، بيشينة دماي بستار از درجة سانتيگراد در موتورهاي کنوني، افزايش 816ابتدايي تا بيش از

مادة بستار، بايد قابليت استحکام را در آن دما دارا باشد . يافته است[9-2 .]

است که در معرض بارهاي بستار يکي از قطعات پيچيده موتور به عبارت ديگر، اختالف دمايي که از روية . حرارتي و مکانيکي است

گردد، باعث ايجاد بارهاي روشن و خاموش کردن موتور ايجاد ميشود که عمر اين قطعات را بخصوص مکانيکي مي -خستگي حرارتي

[.2-1]دهد در نقاط با ضخامت کمتر، کاهش ميو خستگي بستار، مقاالت زيادي تاکنون ارائه در زمينة تحليل تنش

، کرنش را در بستار به صورت [1]و همکاران 9کوخ. گرديده استبراي . سازي مقايسه نمودندگيري کرده و با نتايج شبيهتجربي اندازه

پوياي -شوندگي همسانگرداين منظور، آنها از الگوي رفتاري سختکرنش مومسان بستار را با ، [96] 8ماسن. غيرخطي استفاده نمودند

، محاسبه (به منظور محاسبة عمر خستگي)سازي اجزا محدود آن شبيهو 3خزش و پيرسازي ماده را در بستار آلومينيومي تاکاهاشي. کرد

، تحليل [93]آنها در مقالة ديگري . ، بررسي کردند[98-99]همکاران ماده انجام مومسان بستار را براساس الگوهاي ريزساختاري -ارتجاعي

، براساس مقدار سختي ماده، [91-92]و همکاران 2توماس. دادندآنها با . سازي رفتار پيرسازي ماده ارائه کردندالگويي را براي شبيه

يمحاسبه شده از روش اجزا)استفاده از انرژي کرنش مومسان هاي واقعي ها را در بستار با حالت، محل ترك خوردگي(محدود

سازي اجزاء محدود ، پس از شبيه[90]و همکاران 1سو .مقايسه کردند، 0بستار، عمر خستگي ترمومکانيکي آن را با الگوي نرخ آسيب سيتقلو

-آنها از الگوي ارتجاعي. بيني و با نتايج تجربي مقايسه کردندپيشفرايند کامل احتراق . مومسان براي بيان رفتار ماده استفاده نمودند

آنها با استفاده از . سازي کردند، شبيه[97]مکاران و ه 7موتور را زايهرروش انرژي کرنش مومسان، مقدار آسيب خستگي را در بستار چدني

ها کمترين مقدار عمر بستار در ناحية بين دريچه. موتور تخمين زدند .مشاهده شد

1 F. Koch 2 F.J. Maassen 3 T. Takahashi 4 J.J. Thomas 5 X. Su 6 Sehitoglu’s damage rate model 7 F. Zieher

براي ( هايپربوليك)، از معادلة هذلولي [92]و همکاران 2بارالسسپس با استفاده از . ار آلومينيومي استفاده کردندمحاسبة تنش در بست

روش مکانيك آسيب پيوسته، عمر خستگي و خزشي آن را تخمين و هندسة ( با بررسي چندين نوع چدن)سازي نوع ماده بهينه. زدند

مکانيکي و عمر خستگي کم -هاي حرارتيبستار را، براساس تنشفرهي و همکاران . دادند، انجام [91]و همکاران 1بسامد آن، ترامپرت

هاي پوشش سراميکي را بر روي بستار موتور ، اثر وجود اليه[86-89]لزج مومسان دواليه -آنها از الگوي ارتجاعي. ديزل مطالعه نمودند

، [88]زاهدي و آزادي . سازي رفتار ماده پايه استفاده کردندبراي شبيهر خستگي کم مومسان، تنش و عم -با استفاده از الگوي ارتجاعي

بسامد در بستارهاي آلومينيومي و منيزيمي را محاسبه و با يکديگر ، براي تحليل [83]در مقالة ديگري، آزادي و همکاران . مقايسه کردند

به منظور )مومسان -خرابي بستار ترك خورده از الگوي ارتجاعي( مکانيکي آن -هاي حرارتيشبيه سازي رفتار ماده و محاسبه تنش

. ه کردنداستفادبراساس مطالبي که در بخش قبل، مروري بر ادبيات گذشته ذکر شد،

هاي صورت گرفته، بيشتر براساس الگوهاي توان گفت که تحليلميو 96بوده و کمتر اثر لزجت( مومسان -ارتجاعي)سادة رفتاري ماده

لذا در اين پژوهش، هدف . خزش در بستار، درنظر گرفته شده استمکانيکي بستار براساس الگوي -ي رفتار حرارتيسازاصلي شبيه

يافزار اجزاسازي در نرمشبيه. مومسان لزج دواليه است -ارتجاعيدر اين راستا، براي بيان رفتار ماده، . انجام شد، ABAQUSمحدود

هاي خستگي کم بسامد در دماهاي متفاوت ثوابت مادي از آزمونوابت مادي براي همبستة سپس، با استفاده از اين ث. استخراج شد

مکانيکي -هاي حرارتيسازي تنشآلومينيوم در دماهاي مختلف، شبيهدر ادامه نيز، نتايج فوق . صورت گرفت ABAQUSافزار بستار در نرم

.به صورت نمودارهايي اعالم گرديد

ماده و الگوي رفتار آن( 2 -مسيليسيو -در اين پژوهش، از همبستة ريختگري شده آلومينيوم

مکانيکي آن در بستار موتور -سازي رفتار حرارتيمنيزيم براي شبيهيا A356.0اين همبسته که به نام . ديزل استفاده شده است

AlSi7Mg0.3 دار و ترين همبستة سيليسيومشود، مهمشناخته ميسيليسيوم % 7اين همبستة آلومينيوم، داراي . دار آلومينيوم استمنيزيم

منيزيم براي جلوگيري از % 6,3گري و يت بهتر ريختهبراي ايجاد قابلتوجه شود که در موتور ديزلي در اثر احتراق، مواد . خوردگي است

.گرددخورندة اسيدي توليد مي

8 B. Barlas 9 S. Trampert 10 Viscosity

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

13 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

، ASTM E606بسامد براساس استاندارد هاي خستگي کمآزمون 816و 866، 81تحت شرايط پايش کرنش مکانيکي و در دماهاي

( 9شکل )اي هاي آلومينيومي استوانهد، روي نمونهدرجة سانتيگرا% 6,3دامنة کرنش مکانيکي در همة دماها برابر . صورت گرفته است

اي انتخاب شده است که اين شرايط بارگذاري به گونه. استتجهيزات . االمکان شبيه به بارهاي واقعي وارد شده به بستار باشد حتي

گونه همان. ان داده شده استنش 8آزمون خستگي کم بسامد در شکل شود، از سامانة القايي براي گرم کردن نمونة آزمون که مشاهده مي

گيري کرنش در کرنش مکانيکي با دستگاه اندازه. استفاده شده است . گيري شده و مقدار آن را رايانه مهار کرده است، اندازه9دماي گرم

بر 6,69برابر با هاي خستگينرخ بارگذاري کرنش مکانيکي در آزمونهمچنين، مقداري کرنش اوليه، به . ثانيه درنظر گرفته شده است

. ونة آزمون اعمال شده استمعنوان شرايط اوليه بارگذاري نيز به نو به صورت کششي است که در % 6,61مقدار اين کرنش برابر با

بار هاي بستار، به عنوان پيشعمل، معادل با نيروي حاصل از پيچپس از اعمال اين مقدار اوليه براي کرنش . باشدمي( ط اوليهشراي)

، براساس دامنة کرنش (معادل با مقدار کرنش کمينه)مکانيکي ، مقدار بيشينة کرنش نيز محاسبه شده و بارگذاري %6,3مکانيکي

بين دو نقطة )بر ثانيه، به صورت مثلثي 6,69کرنش مکانيکي با نرخ شايان ذکر است که . گرددآزمون اعمال مي ، به نمونة(کمينه و بيشينه

گيري شده و نتايج در ابتداي هر آزمون، ضريب ارتجاعي ماده اندازهدر صورت . گرددآن با نتايج مراجع و استانداردهاي موادي مقايسه مي

هاي مشاهده مغايرت زياد مقادير فوق، که ممکن است ناشي از عيب .شودمون، درنظر گرفته نميريزساختاري ماده باشد، نتايج آن آز

مومسان -سازي رفتار همبستة آلومينيوم از الگوي ارتجاعي براي شبيه. لزج دواليه براي بيان رفتار مومسان و لزجت استفاده گرديده است

مومسان و -اين الگو، اثر مومسان و اثر لزجت را به دو شبکه ارتجاعينشان داده 3در شکل تصوير اين الگو،. کند لزج تقسيم مي -ارتجاعي

.شده است

ابعاد نمونة آلومينيومي در آزمون خستگي کم بسامد: 9شکل

1 High temperature extensometer

تجهيزات آزمون خستگي کم بسامد: 8شکل

[82]مومسان لزج دواليه -بيان يك بعدي الگوي ارتجاعي: 3شکل

3پوياي -8شوندگي همسانگرددر شبکة مومسان، از الگوي سخت

شوندگي يا ده است که رفتارهاي ماده نظير سختغيرخطي استفاده شبه چرخه، رهاسازي تنش ميانگين و اثر شوندگي و خزش چرخهنرم

کند و الگوي مناسبي براي بيان رفتار بيني ميباشينگر را پيشمحوره براي معيار تسليم در حالت بارگذاري تك. مومسان مواد است .ستنشان داده شده ا 9اين الگو، در معادلة

(9 )0 kRX

kمقدار تغيير اندازة سطح تسليم و Rشوندگي، متغير سخت Xکه گر بيان 3و 8معادالت . اندازة سطح تسليم در چرخة اول است

. شوندگي پوياي غيرخطي اند سخت

(8 ) 00 ,pp''' vexp

CvX

CvX

(3)

M

i

iXX

1

و Cکرنش مومسان، pبيانگر جهت سيالن، 1'vکه

در . اند Xو pبترتيب مقادير اولية 0Xو p,0ثوابت ماده و

2 Isotropic 3 Kinematic

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

12 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

به شوندگي ، متغير سخت3برابر با Mنيز، با در نظر گرفتن 3معادلة . شودشود که موجب افزايش دقت الگو ميسه قسمت تقسيم مي

:شوندگي همسانگرد است، بيانگر سخت2معادلة (2 )))bpexp((QR 1

حداکثر کاهش يا افزايش شعاع است که Rمقدار اشباع شدة Qکه کننده سرعت رسيدن بيان bدهد و سطح تسليم را نشان مي

Qخود، يعني 9به مقدار اشباع( R)شوندگي همسانگرد سخت .ها استر کرنش تجمعي در مجموع چرخهنيز، مقداp.است

براي در نظر گرفتن 8هاف -همچنين، در شبکة لزج از قانون نورتون، اين قانون بيان شده 1در معادلة . اثر نرخ کرنش استفاده شده است

.است

(1 ) nvv A . تنش لزج اندvثوابت مادي و nوAنرخ کرنش لزج، vکه

همچنين، نسبت ضرايب ارتجاعي، در دو شبکة لزج و مومسان، با .شودبيان مي 0، مطابق معادلة fضريب

(0) pv

v

KK

Kf

لزج -هاي ارتجاعي ، بترتيب، ثوابت ارتجاعي در شبکهpKو vKکه

.مومسان اند -و ارتجاعيهاي اين الگوي رفتار ماده، از آزمون براي بدست آوردن ثوابت مادي

سازي و اين ثوابت با انطباق نتايج شبيه. خستگي استفاده شده استسازي سپس با استفاده از ثوابت فوق، شبيه. شوندتجربي، محاسبه مي

يافزار اجزامکانيکي بستار آلومينيومي با استفاده از نرم -رفتار حرارتي .صورت گرفته است ABAQUSمحدود

سازي بستارشبيه( 3

الگو و خواص مواد( 3-1به همراه تصوير ريزدانه شده ABAQUSافزار الگوي ارائه شده در نرم

اين بستار متعلق به . نشان داده شده است 2از هندسة بستار، در شکل هر بستار موتور ديزل دو . يك موتور ديزل چهار استوانة خطي است

ي هوا و خروجي دود است و دو محل دريچه دارد که براي وروديك سوراخ ديگر روي بستار، . شود بر روي آنها سوار مي 3نشيمنگاه

دارد که 2از طرفي دو راهنماي دريچه. محل افشانة سوخت استشوند و در چهار نقطه بستار به محفظة ها در آن هدايت مي دريچه

. شود احتراق پيچ ميمبستة آلومينيوم به دست خواص ارتجاعي، مومسان و لزجي که از ه

افزار در نرم د؛گذاري شدنهاي خستگي، صحهآمد و با آزمونABAQUS راهنماهاي دريچه از جنس فوالد با ضريب . شود وارد مي

1 Saturation 2 Norton- Hoff 3 Valve seat 4 Valve guide

اين راهنماها . اند 6,31گيگاپاسکال و نسبت پواسون 960ارتجاعي اند و رفتار آنها ارتجاعي فرض به طور کامل در بستار محکم شده

ها نيز از جنس فوالد با ضريب همچنين نشيمنگاه دريچه. شود يمدر نظر گرفته 6,36گيگاپاسکال و نسبت پواسون 866ارتجاعي

کنند و در صورت ارتجاعي رفتار مي ها نيز به اين نشيمنگاه. اند شدهاين کار با استفاده از قيدهايي صورت گرفته . اند جاي خود محکم شده

ي نشيمنگاه با دريچه را با معادالتي به هم متصل است که فاصلة اجزا . سازد تا در حين بارگذاري اجزا جدا نشوند مي

جزء 9332و 1جزء آجري مرتبة اول 91312سازي از اين شبيهتر تشکيل شده است مرتبة اول براي نقاط با هندسه پيچيده 0منشوري

يل حرارتي پذيرد که شامل تحلبارگذاري در دو مرحله صورت مي[. 3]مکانيکي -و تحليل حرارتي( براي محاسبه توزيع دما روي بستار) .است( مکانيکي در بستار -هاي حرارتيبراي محاسبه تنش)

تحليل حرارتي( 3-2محدود، ناحيه اطراف دو دريچة سوخت و يسازي اجزادر اين شبيه

ا دود که بيشترين تمرکز دمايي در آنجاست، تحت بارگذاري حرارتي ببا . گيرد درجة سانتيگراد قرار مي 816و حداکثر 81حداقل دماي

تعريف خواص انتقال حرارتي و ضرايب رسانش و جابجايي و گرماي منظور بدست ويژه براي هر کدام از مواد، تحليل حرارتي روي بستار به

[. 81] شود آوردن توزيع دما، انجام مي .آيدبدست مي 7ة در تحليل حرارتي، کرنش حرارتي از معادل

(7 ))TT( refth

براي . اند دماي اوليه ماده refTضريب انبساط حرارتي و که

، (درجة سانتيگراد 816تا 81)تلف همبستة آلومينيوم در دماهاي مخ [.2]در نظر گرفته شده است 8,39×96-1به طور ميانگين برابر

بندي شده نماي کلي بستار موتور ديزل در حالت شبکه: 2شکل

5 First-order brick elements 6 Prism

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

11 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

شود و پس از سه صورت چرخة به چرخه انجام مي بارگذاري حرارتي بهنتهايي به عنوان بنابراين چرخة ا. شود چرخة تعادل دمايي برقرار مي

شود تا براي شود و نتايج آن ذخيره مي چرخة پايدار انتخاب مي .[81] مکانيکي استفاده شود -بارگذاري حرارتي

مکانيکي -تحليل حرارتي( 3-3پس از آنکه تحليل حرارتي صورت گرفت و دما در نقاط مختلف بستار

ين قسمت در ا. رسد بدست آمد، نوبت به تحليل حرارتي مکانيکي ميدر مرحلة . شوند اجزاي اطراف پيچ هاي بستار در تمام جهات مقيد مي

ها داده اول جابجايي اوليه، به مقدار بسيار کم، به نشيمنگاه دريچهسپس در مراحل بعد به تعداد . شود تا در جاي خود محکم شوند مي

شود تا رفتار ماده به انجام مي الزم بارگذاري حرارتي چرخة به چرخهچون بستار درجاي خود ثابت است و تحت بارگذاري . پايداري برسد

حرارتي چرخة به چرخه قرار دارد، بنابراين کرنش مکانيکي در جهت آيد که به اين نوع بارگذاري عکس کرنش حرارتي در قطعه بوجود مي

ذکر است که در شايان. گويندفاز ميمکانيکي، حالت غيرهم -حرارتياي بارهاي چرخه)هاي ناشي از نيروهاي مکانيکي اين تحليل، از تنش

.صرف نظر شده است( هاناشي از برخورد دريچه

بررسي نتايج( 4

محاسبة ثوابت مادي( 4-1سازي خستگي کم بسامد در با استفاده از الگوهاي ذکر شده، شبيه

ت گرفت و نمودار درجة سانتيگراد صور 816و 866، 81دماهاي -محدود با نمودار تنش يسازي اجزاکرنش مکانيکي اين شبيه -تنش

بدست آمده از نتايج آزمون خستگي صورت )کرنش مکانيکي تجربي گذاري شده ، مقايسه گرديده و صحه(عمر مادهگرفته در چرخة نيمه

816و 866، 81سازي، در سه دماي مختلف اين نتايج شبيه. استبراي دو حالت با و بدون ) 7و 0، 1هاي تيگراد، در شکلدرجة سان

. شوندمشاهده مي( درنظر گرفتن تنش لزج

گونه که در اشکال قابل مشاهده است، تطابق مناسبي بين نتايج همان -دهنده دقت الگوي ارتجاعيسازي و تجربي وجود دارد که نشانشبيه

رنظر گرفتن تنش سازي فوق بدون دشبيه. مومسان لزج دواليه استمقدار تنش را کمتر از حالت واقعي، تري دارد و عمالًلزج، نتايج ضعيف

اين مقدار خطا در تخمين مقدار تنش بخصوص در . کندبيني ميپيشکمينه و بيشينة کرنش مکانيکي، با افزايش دما، بيشتر شده است؛

اهميت بنابراين، . چراکه رفتار لزج ماده شديداً به دما وابسته استسازي رفتار چرخه به چرخة آن لحاظ نمودن خواص لزج ماده، در شبيه

.گرددمشخص ميعرض منحني )براساس انتظار قبلي، کرنش مومسان ،ضمندر درجة سانتيگراد 81در دماي ( ي روي خط ميانگين تنش صفردگوامان

و 866اين کرنش مومسان در دماهاي . کمتر از دماهاي گرم است

سانتيگراد، تفاوت چنداني با يکديگر ندارند اما مقدار تنش درجة 816درجة 866درجة سانتيگراد، کمي کمتر از دماي 816ماده در دماي .سانتيگراد است

مومسان لزج -ثوابت مادي همبستة آلومينيوم در الگوي ارتجاعياين جداول شامل . اند نشان داده شده 3-9هاي دواليه، در جدول

.باشدبه رفتارهاي ارتجاعي، مومسان و لزج ماده ميثوابت متعلق

عمر، تحت رفتار چرخة به چرخة همبستة آلومينيوم در چرخة نيمه :1شکل

درجة سانتيگراد 81ي کم بسامد در دما يبارگذاري خستگ

عمر، تحت رفتار چرخة به چرخة همبستة آلومينيوم در چرخة نيمه :0شکل

درجة سانتيگراد 866ي د در دماکم بسام يبارگذاري خستگ

تحت عمر،در چرخة نيمه رفتار چرخة به چرخة همبستة آلومينيوم :7شکل

درجة سانتيگراد 816ي کم بسامد در دما يبارگذاري خستگ

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

10 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

مومسان لزج -ثوابت مادي همبستة آلومينيوم در الگوي ارتجاعي: 9جدول (مومسان -بخش رفتار ارتجاعي)دواليه

(C°)دما رفتار مومسان رفتار ارتجاعيE

(GPa) v

(-)

k (MPa)

Q (MPa)

b (-)

81 01,9 6,36 28 91 86,6

866 11,1 6,36 22 1 9,1 816 13,6 6,36 09 97 - 9,6

مومسان لزج -ثوابت مادي همبستة آلومينيوم در الگوي ارتجاعي: 8جدول

(بخش رفتار مومسان)دواليه

دما (°C)

ومسانمرفتار C1

(MPa) γ1

(-) C2

(MPa) γ2

(-) C3

(MPa) γ3

(-)

81 98112 9367 82201 9338 20216 9807

866 81683 8020 90981 89786 0112 336 816 1018 262 2222 3016 31938 3212

مومسان لزج -ثوابت مادي همبستة آلومينيوم در الگوي ارتجاعي: 3جدول

(بخش رفتار لزج)دواليه

(C°)ما د رفتار لزج

A (MPa-nsec.-1) n (-) f (-)

81 866 816

1-96×8 0-96×1 7-96×2

9,07 9,07 9,07

6,86 6,91 6,61

مکانيکي بستار -هاي حرارتيتنش( 4-2اده و با تطابق الگوي رفتاري م)با استفاده از ثوابت مادي بدست آمده

، (هاي خستگي کم بسامد در دماهاي مختلفگذاري بر آزمونصحهنتايج تحليل حرارتي . مکانيکي بستار صورت گرفت -تحليل حرارتي

.نشان داده شده است 2در شکل ( ارشامل توزيع دماي بست)

در بستار تحت بارگذاري ( بر حسب درجة سانتيگراد)توزيع دما : 2شکل

(شينة دمادر حالت بي)حرارتي

، دما در بين دو دريچه، بيشينه است و اين منطقه 2با توجه به شکل پس از تحليل حرارتي، جزئي از بستار که . از لحاظ دما، بحراني است

در شکل . شودترين دما را دارد، به عنوان جزء بحراني انتخاب مي گرمد که گرد، نمودار تغييرات دما در اين جزء برحسب زمان مشاهده مي1

.دهندة يك چرخة روشن و خاموش شدن موتور استنشاندماي بدست آمده در تحليل حرارتي براي چرخة پايدار در کل بستار،

با . است ABAQUSافزار مکانيکي در نرم -ورودي تحليل حرارتياعمال اين بارگذاري چرخة به چرخة حرارتي و مقيد کردن بستار،

فاز به بستار اعمال رت غيرهمبارگذاري حرارتي مکانيکي به صودر انتهاي چرخة تعادل، 9ميسزبراين اساس، توزيع تنش فون. شود مي

گونه که مشخص است، بيشينة همان. شودمشاهده مي 96در شکل اين نتيجه با . مقدار تنش نيز همانند دما، بين دو دريچه رخ داده است

موتورهاي ديزل بستار ترك خورده در. آزمونهاي تجربي مطابقت داردشايان ذکر است که مقدار . نشان داده شده است 99مشابه، در شکل

به صورت )مگاپاسکال 922,9ميسز برابر با بيشينة تنش فومن .ميسز، تقريباً برابر با صفر استو مقدار کمينة تنش فومن( کششي

يشينة نمودار تغييرات دما بر حسب زمان، در جزء بحراني بستار با ب: 1شکل

دما در تحليل حرارتي

در بستار تحت ( بر حسب مگاپاسکال)ميسز توزيع تنش فون: 96شکل

مکانيکي -بارگذاري حرارتي

1 Von-Mises stress

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

17 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

[97،80]بستار ترك خورده در موتور ديزل : 99شکل

اين ناحيه، . باشدها ميمحل ترك خوردگي در ناحية بين دريچه

به علت عدم )و دماي بيشتر آن معموالً به دليل ضخامت کمتر ماده ، داراي بيشترين مقدار (کاري مناسب آن ناحيهدسترسي براي خنك

.خوردتنش است و لذا در اين ناحيه نيز، بستار ترك مينمودارهاي کرنش و تنش در سه حالت مومسان، لزج و کل، در جزء

.اندرسم شده 93و 98هاي بحراني، بر حسب زمان، بترتيب، در شکلهااي لازج و مومساان در دهد که کرنشنشان مي 98تايج در شکل ن

تغييرات کارنش مومساان در طاول زماان، . اند بستار به شکل فشاريياباد و باا تقريباً خطي است اما کرنش لزج، با افزايش دما، افزايش مي

مقدار کرنش مومسان از مقادار کارنش لازج . شودکاهش دما، کم ميگوناه کاه در لاذا هماان . باشداً دو برابر آن مينيز، بيشتر است و تقريب

مشخص است، تنش لزج مقدار کمي دارد و عماالً قسامت 93شکل . بيشتر تنش، وابسته به تنش مومسان است

هاا کاامالً ، تانش (ثانيه دهم، هنگام روشن بودن موتور)در بيشينة دما وش پس از آن، با خاام . باشدفشاري است که به علت فشار احتراق ميها باه شاکل کششاي نشاان شدن موتور و کاهش تدريجي دما، تنش

هاي علت آن نيز، وجود بارهاي همبندي همچون پيچ. داده شده استبا توجه به مقادير بدست آمده براي کرنش لزج، به طور . باشدبستار مي

تاوان گفات کاه ايان مقاادير، قابال صارف نظار کاردن در ميکلي .دباشنسازي بستار نمي شبيه

کرنش بر حسب زمان، در جزء بحراني بستارانواع نمودار : 98شکل

تنش بر حسب زمان، در جزء بحراني بستارانواع نمودار : 93شکل

گيري نتيجه( 6اي حرارتي و در اين مقاله، تنش در بستار موتور ديزل تحت باره

براي اين منظور، از . محدود محاسبه شد يمکانيکي به روش اجزالزج مومسان دواليه استفاده گرديد که ثوابت مادي -لگوي ارتجاعيا

هاي خستگي کم بسامد در آن براي همبستة آلومينيوم از طريق آزموندهد که گذاري نشان مينتايج صحه. دماهاي مختلف بدست آمد

لزج دواليه، دقت مناسبي براي تخمين مومسان -الگوي ارتجاعينتايج تحليل اجزاء محدود بستار . نيوم داردرفتار واماني همبستة آلومي

داد که اگرچه کرنش لزج، مقدار کمتري نسبت به کرنش نيز، نشان ميبيشينة دما و تنش . باشدنظر کردن نميمومسان دارد اما قابل صرف

هاي ايجاد شده داد که با محل تركها رخ ميدر ناحية بين دريچهها، يري از ايجاد اين گونه تركبراي جلوگ. روي بستار، مطابقت دارد

شود که در کنار تغيير طراحي حلي کاربردي، پيشنهاد ميبه عنوان راهبا تغيير ضخامت و هندسة ماده در قسمت بحراني و يا تغيير )بستار

، از پوششي حائل حرارت روي بستار (کاري آن بخشسامانة خنكبر بهبود عملکرد توان عالوههاي سفالين ميبا پوشش. استفاده گردد

احتراقي موتور، عمر خستگي بستار را نيز بهبود بخشيد ، چراکه از .کنندانتقال حرارت جلوگيري مي

محل ترك

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

12 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

تشکر و قدردانينويسندگان مراتب تشکر و قدرداني خود را از شرکت تحقيق، طراحي

براي حمايت مالي صورت گرفته در ( ايپکو)و توليد موتور ايران خودرو همچنين، نويسندگان از . دارندهاي خستگي، اعالم ميناجراي آزمو

.نمايندهمکاران خود در دانشگاه لئوبن اتريش نيز تشکر مي

References [1] L. Remy, J. Petit, Temperature-fatigue interaction, Elsevier Science Ltd and ESIS, 2002 [2] M. Mokhtari Shirazabad, S.M.A. Boutorabi, M. Azadi, M. Nikravan, An investigation of high cycle fatigue behavior of magnesium alloy for cylinder head application, The Journal of Engine Research, Vol. 24, pp. 29-35, 2011 [3] M. Azadi, M. Baloo, G.H. Farrahi, S.M. Mirsalim, A review of thermal barrier coating effects on diesel engine performance and components lifetime, International Journal of Automotive Engineering, Vol. 3, No. 1, pp. 305-317, 2013 [4] M. Azadi, G.H. Farrahi, G. Winter, W. Eichlseder, Experimental fatigue lifetime of un-coated and coated aluminum alloy under isothermal and thermo-mechanical loadings, Ceramics International, Vol. 39, pp. 9099-9107, 2013 [5] M. Azadi, Effects of strain rate and mean strain on cyclic behavior of aluminum alloys under isothermal and thermo-mechanical fatigue loadings, International Journal of Fatigue, Vol. 47, pp. 148-153, 2013 [6] M. Azadi, G.H. Farrahi, G. Winter, W. Eichlseder, The effect of various parameters on out-of-phase thermo-mechanical fatigue lifetime of A356.0 cast aluminum alloy, International Journal of Engineering Transactions C: Aspects, Vol. 26, No. 12, pp. 873-883, 2013 [7] M. Azadi, M. Mokhtari Shirazabad, Heat treatment effect on thermo-mechanical fatigue and low cycle fatigue behaviors of A356.0 aluminum alloy, Materials and Design, Vol. 45, pp. 279-285, 2013 [8] G.H. Farrahi, M. Azadi, G. Winter, W. Eichlseder, A new energy-based isothermal and thermo-mechanical fatigue lifetime prediction model for aluminum-silicon-magnesium alloy, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, DOI: 10.1111/ffe.12078, 2013 [9] F. Koch, F. Maassen, U. Deuster, M. Loeprecht, H. Marckward, Low cycle fatigue of aluminum cylinder heads – Calculation and measurement of strain under fired operation, SAE International, Paper No. 1999-01-0645, 1999 [10] F.J. Maassen, Simulation of endurance and thermo cycle testing for highly loaded HSDI diesel cylinder head, SAE International, Paper No. 2001-01-3226, 2001

[11] T. Takahashi, K. Moizumi, M. Lida, K. Sasaki, S. Ohnuki, Effect of thermal fatigue phenomena of aluminum alloy by artificial ageing, SAE International, Paper No. 2002-01-0584, 2002 [12] T. Takahashi, T. Nagayoshi, M. Kumano, K. Sasaki, Thermal plastic-elastic creep analysis of engine cylinder head, SAE International, Paper No. 2002-01-585, 2002 [13] T. Takahashi, Y. Sugimura, K. Sasaki, Thermal plastic-elastic analysis in consideration of metallurgical microstructure, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 126, pp. 25-32, 2004 [14] J.J. Thomas, L. Verger, A. Bignonnet, S.M. Borret, Thermo-mechanical design in the automotive industry, SAE International, Paper No. 2002-01-0659, 2002 [15] J.J. Thomas, L. Verger, A. Bignonnet, E. Charkaluk, Thermo-mechanical design in the automotive industry, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol. 27, pp. 887-895, 2004 [16] X. Su, M. Zubeck, J. Lasecki, C.C. Engler-Pinto Jr., C. Tang, H. Sehitoglu, J. Allison, Thermal fatigue analysis of cast aluminum cylinder heads, SAE International, Paper No. 2002-01-0657, 2002 [17] F. Zieher, F. Langmayr, A. Jelatancev, K. Wieser, Thermal mechanical fatigue simulation of cast iron cylinder heads, SAE International, Paper No. 2005-01-0796, 2005 [18] B. Barlas, D. Massinon, P. Meyer, G. Cailletaud, I. Guillot, G. Morin, A phenomenological model for fatigue life prediction of highly loaded cylinder heads, SAE International, Paper No. 2006-01-0542, 2006 [19] S. Trampert, T. Gocmez, S. Pischinger, Thermo-mechanical fatigue life prediction of cylinder head in combustion engines, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 130, pp. 012806.1-10, 2008 [20] G.H. Farrahi, M. Rezvani Rad, M. Azadi, Coating thickness effect on stress distribution of coated cylinder head considering residual stress, The Journal of Engine Research, Vol. 26, pp. 49-57, 2012 [21] M. Rezvani Rad, M. Azadi, G.H. Farrahi, Thermal barrier coating effect on stress distribution of a diesel engine cylinder head, Student Conference on Mechanical Engineering, Paper No. STU2013-1533, 2013 [22] F. Zahedi, M. Azadi, Low cycle fatigue life analysis of magnesium alloy diesel engine cylinder head, 20th Annual International Conference on Mechanical Engineering, Paper No. ISME2012-2063, 2012 [23] M. Azadi, A. Mafi, M. Roozban, F. Moghaddam, Failure analysis of a cracked gasoline engine cylinder head, Journal of Failure Analysis and Prevention, Vol. 12, pp. 286-294, 2012

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

11 06-19 ه، صفح(9319 پاييز) 82 ةشمارپژوهشي تحقيقات موتور، -فصلنامة علميهمکاران، و غالمحسين فرهي

[24] A. Deshpande, S.B. Leen, T.H. Hyde, Experimental and numerical characterization of the cyclic thermo-mechanical behavior of a high temperature forming tool alloy, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol. 132, No. 5, pp. 1-12, 2010

[25] ABAQUS/CAE (v6.4), User’s Manual, 2002 [26] T. Takahashi, K. Sasaki, Low cycle thermal fatigue of aluminum alloy cylinder head in consideration of changing metrology microstructure, Procedia Engineering, Vol. 2, pp. 767-776, 2010

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0

G.H. Farrahi et al., The Journal of Engine Research, Vol. 28 (autumn 2012), pp. 51-60 60

The Journal of Engine Research

Journal Homepage: www.engineresearch.ir

Finite element analysis of thermal and mechanical stresses in diesel engine cylinder head using two-layer elastic-viscoplastic model

G.H. Farrahi1*, M. Ghodrati2, M. Azadi3

1Sharif University of Technology, Tehran, Iran, farrahi@sharif.edu 2Sharif University of Technology, Tehran, Iran, ghodrati@mech.sharif.edu 3Irankhodro Powertrain Company (IPCO), Tehran, Iran, m_azadi@ip-co.com *Corresponding Author, Phone Number: +98-21-66165533

ABSTRACT ARTICLE INFO

The objective of this article is to simulate thermal and mechanical behaviors of the diesel engine cylinder heads. The finite element analysis was performed using the ABAQUS software. Thus, to identify the material behavior, results of low cycle fatigue tests at various temperatures (stress- mechanical strain hysteresis curves at the mid-life cycle) were used and material constants of a two-layer elastic-viscoplastic model were extracted. Fatigue experiments were performed under the strain-controlled tensile-compressive condition on the aluminum-silicon-magnesium alloy (A356.0). Then, by using these material constants at 25, 200 and 250°C, thermal and mechanical stresses of the cylinder head were calculated. Validated results illustrated that the elastic-viscoplastic model has a proper accuracy to predict the hysteresis behavior of the aluminum alloy. Finite elements results showed that the location of cracking was in between valves. In addition, the calculated viscous strain could not be eliminated, although it was less than the plastic strain.

© Iranian Society of Engine (ISE), all rights reserved.

Article history: Received: 15 September 2013 Accepted: 28 September 2013

Keywords: Finite element analysis Thermo-mechanical stress Diesel engine cylinder head Two-layer elastic-viscoplastic model

Dow

nloa

ded

from

eng

iner

esea

rch.

ir at

11:

49 +

0330

on

Thu

rsda

y F

ebru

ary

20th

202

0