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

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 Số 1/2014 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 CRANKSHAFT OF 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 TẮT 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. Từ khóa: trường ứng suất, trục khuỷu, phương pháp phần tử hữu hạn, ADAMS, ANSYS ABSTRACT This paper presents the results of applying the finite element method with the aid of ADAMS and ANSYS software to determine the stress field 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 finite element method (Using ANSYS software) to determine the stress field on the crankshaft. Keywords: stress field, crankshaft, finite element method, ADAMS, ANSYS I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề, chế tạo khó khăn nhất trong các chi tiết của động cơ. Nó có hình học phức tạp và làm việc trong điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác động cơ. Trục khuỷu chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh ra trong quá trình cháy, các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Các lực này gây ra mô men xoắn và uốn lớn, thay đổi cả về trị số lẫn phương chiều. Sự biến thiên có chu kỳ của các mô men quay không những chỉ gây ra các dao động xoắn và dao động dọc trục, mà trong những điều kiện nhất định có thể gây ra những ứng suất phụ rất lớn trong trục làm rạn nứt dẫn đến gãy trục. 1 2 Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên, trục khuỷu luôn làm việc trong điều kiện chịu ứng suất mỏi là chủ yếu. Hình dáng phức tạp của trục khuỷu cũng tạo nên ứng suất tập trung tại một số vùng trên trục như chỗ chuyển tiếp giữa các đoạn trục, các miệng của lỗ dẫn dầu bôi trơn, ở các cổ trục dập … Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động cơ, như tăng tốc độ quay, động cơ tăng áp và sử dụng các biện pháp khác nhằm nâng cao công suất, làm cho áp lực riêng trên ổ trục cũng như ứng suất trong trục khuỷu tăng lên. Điều này dẫn đến việc tăng hao mòn của ổ và giảm tính tin cậy khi làm việc của trục trong quá trình sử dụng. Vì vậy, trục khuỷu luôn phải đảm bảo yêu cầu về độ tin cậy của trục trong những điều kiện làm việc khác nhau, Nguyễn Bá Hữu: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2009 – Trường Đại học Nha Trang TS. Quách Hoài Nam: Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 137 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 đảm bảo độ bền, độ cứng và tính chống mòn, bảo đảm thời hạn sử dụng cần thiết của trục ứng với từng loại động cơ, trục phải luôn cân bằng động lực học tốt nhất và không gây ra rung động, không có vùng dao động xoắn bị cấm trong khoảng tốc độ làm việc của động cơ. Các kích thước chính của khuỷu trục phụ thuộc vào bán kính tay quay, đường kính các cổ, các kích thước chính của khuỷu trục cần đảm bảo độ bền và độ cứng cần thiết, phải bảo đảm cho áp lực riêng tác dụng lên cổ chính và cổ khuỷu nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy, việc nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu là rất cần thiết làm cơ sở cho việc đánh giá độ bền mỏi và tối ưu hóa kết cấu trục khuỷu góp phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của trục khuỷu nói riêng và động cơ nói chung, đảm bảo an toàn khi khai thác động 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 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 quả 1.1. 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 ...