8.1. Etap I symulacja numeryczna
Symulacja numeryczna wspó³pracy zespo³u TPC jest pierwszym etapem opracowa-nia przyk³adowej pary tr¹cej, pracuj¹cej w ruchu posuwisto-zwrotnym, uszczelopracowa-niaj¹cy piercieñ t³okowytuleja cylindrowa, w aspekcie swobodnej energii powierzchniowej tworz¹cych j¹ elementów. Przyk³adowa para tr¹ca uszczelniaj¹cy piercieñ t³okowy tuleja cylindrowa, jest jedn¹ z najbardziej obci¹¿onych par tr¹cych w silniku spalino-wym. W typowym silniku spalinowym o zap³onie samoczynnym, podczas maksymal-nych obci¹¿eñ, urednione cinienie, jakiemu jest poddawana para tr¹ca, jest równe oko³o 0,5 MPa [59]. Jest ono osi¹gane przy obrotach, gdy rednia prêdkoæ liniowa jest rów-na oko³o 10 m/s.
Novum symulacji numerycznej, zaproponowane przez autora, jest uwzglêdnienie w elementach zespo³u TPC pow³ok przeciwzu¿yciowych, które powsta³y jako wynik re-alizacji celu rozprawy. W opracowanych dotychczas symulacjach komputerowych wspó³-pracy piercieni t³okowych z tulej¹ cylindrow¹ wykonanych z zastosowaniem metod: ró¿nic skoñczonych, elementów skoñczonych oraz elementów brzegowych nie uwzglê-dniano pow³ok przeciwzu¿yciowych. Dalej opisano symulacjê zrealizowan¹ dla pier-cienia z pow³ok¹ wykonan¹ z azotku tytanu. Zrealizowano wiele wariantów symulacji, wybrano cztery warianty konstrukcyjne uszczelniaj¹cego piercienia t³okowego z po-w³ok¹, opracowane wed³ug literatury wiatowej oraz wiedzy autora, na podstawie ana-lizy zjawiska zu¿ycia piercieni t³okowych (rys. 8.1). Przedstawiono wyniki symulacji dla wariantu nr 1, zwanego ostrokrawêdziowym [83].
Badania symulacyjne wspó³pracy zespo³u TPC silnika spalinowego umo¿liwiaj¹, na etapie projektowania silnika, obliczenie temperatury oraz naprê¿eñ elementów zespo³u TPC. Symulacjê prowadzono przy zamkniêtych zaworach. Oznacza to fragment cyklu od 130° OWK przed ZZ do 130° OWK po ZZ. Symulacja wiernie odzwierciedla geo-metriê elementów oraz uwzglêdnia dane materia³ów, z jakich zosta³y one wykonane. Poza tym uwzglêdnia ona zmiany stosunków geometrycznych spowodowane zwiêksze-niem temperatury.
95
CMYK CMYK
8.1. Etap I symulacja numeryczna
TRÓJWYMIAROWE MODELE PIERCIENIA, T£OKA I TULEI PARASOLID V. 11 DESKRETYZACJA MODELI GEOMETRIA MATERIA£Y OBCI¥¯ENIA OD PROCESU SPALANIA KIVA 3 GEOEMTRIA KOMORY SPALANIA OBLICZENIA MES WYNIKI SYMULACJI WSPÓ£PRACY ZESPO£U TPC TRÓJWYMIAROWE MODELE PIERCIENIA, T£OKA I TULEI PARASOLID V. 11 DESKRETYZACJA MODELI GEOMETRIA MATERIA£Y OBCI¥¯ENIA OD PROCESU SPALANIA KIVA 3 GEOEMTRIA KOMORY SPALANIA OBLICZENIA MES WYNIKI SYMULACJI WSPÓ£PRACY ZESPO£U TPC
Rys. 8.2. Schemat zakresu prac symulacji komputerowych zespo³u TPC Fig. 8.2. The scope of the computer simulation of ring seal PRC
Zakres prac przewidzianych do wykonania w ramach opracowanej symulacji (rys. 8.2) przedstawia siê nastêpuj¹co:
1. Opracowanie modeli geometrycznych zespo³u TPC silnika t³okowego. 2. Dyskretyzacja opracowanych modeli na elementy skoñczone.
Rys. 8.1. Warianty kszta³tu przekroju piercieni t³okowych [83] Fig. 8.1. Different shapes of the piston ring sections [83]
96 8. Przyk³ad pary tr¹cej piercieñtuleja zespo³u t³okpiercieniecylinder silnika spalinowego...
CMYK
Modele odzwierciedlaj¹ cechy geometryczne elementów rzeczywistych przyk³ado-wego silnika o ZS oraz relacje miêdzy nimi i parametrami geometrycznymi. Uwzglê-dniaj¹ one ponadto zmiany ich wymiarów wraz ze zwiêkszenieem temperatury. W koñ-cowym etapie budowy modeli geometrycznych stworzono model zespo³u TPC z zacho-waniem relacji geometrycznych i kinematycznych zachodz¹cych miêdzy nimi. Budowê 3. Obliczenie obci¹¿eñ osiowo niesymetrycznych pochodz¹cych od procesu robo-czego realizowanego w przyk³adowym silniku o zap³onie samoczynnym z zastosowa-niem programu KIVA3 i pozosta³ych obci¹¿eñ konstrukcyjnych oraz warunków brze-gowych.
4. Obliczenia MES w elementach zespo³u TPC.
8.1.1. Opracowanie trójwymiarowych modeli geometrycznych
piercienia t³okowego, t³oka i tulei cylindrowej
Pierwszym z etapów symulacji jest, na podstawie danych producenta silnika oraz informacji zawartych w pracy [96], zbudowanie trójwymiarowych modeli geometrycz-nych t³oka z wk³adk¹ stabilizuj¹c¹, piercienia uszczelniaj¹cego z tward¹ pow³ok¹ prze-ciwzu¿yciow¹ oraz tulei cylindrowej (rys. 8.3).
Rys. 8.3. Modele t³oka, tulei i piercienia t³okowego w z³o¿eniu u¿yte do badañ symulacyjnych: a) w postaci cieniowanej, b) w postaci konturowej, c) piercieñ t³okowy cieniowany
z wyró¿nion¹ pow³ok¹ z azotku tytanu
Fig. 8.3. A model assembly of the piston, sleeve and piston ring used in simulations: a) shaded, b) contour, c) shaded-in is the piston ring with distinct titanium nitride coating
97
CMYK CMYK
modeli oparto na kodzie komputerowym zapisu geometrii Parasolid v.11 i zrealizowano u¿ywaj¹c modu³u UG/Scenerio systemu komputerowego Unigraphix.
8.1.2. Dyskretyzacja opracowanych modeli na elementy skoñczone
Opracowane modele t³oka z wk³adk¹, tulei oraz piercienia t³okowego z pow³ok¹ podzielono na czworocienne, czterowêz³owe elementy skoñczone. Pow³okê przeciw-zu¿yciow¹ piercienia t³okowego zamodelowano w postaci przestrzennej siatki dwuwy-miarowej. Nastêpnie na jej podstawie, jako wzorzec, zbudowano bry³ow¹ siatkê prze-strzenn¹ piercienia t³okowego. Dziêki temu uzyskano zamierzony efekt zmiany w³a-ciwoci materia³owych z zachowaniem ci¹g³oci modelu, co stanowi wspomniane ju¿ novum. Jest to wystarczaj¹ce przybli¿enie rzeczywistoci, poniewa¿ gruboæ twardej pow³oki przeciwzu¿yciowej (3 µm) jest tysi¹ckrotnie mniejsza od gruboci piercienia (3 mm). W koñcowym etapie budowy modelu zespo³u TPC po³¹czono modele dyskret-ne odpowiednich elementów sk³adowych przez relacje miêdzy ich siatkami lub elemen-ty kontaktowe. Na rysunkach 8.4 i 8.5 przedstawiono modele piercienia t³okowego z pow³ok¹, t³oka z wk³adk¹ kompensacyjn¹ Al-Fin i tulei, po podziale na elementy skoñ-czone. W tabeli 8.1. zamieszczono liczbê elementów skoñczonych i wêz³ów w poszcze-gólnych modelach.Tabela 8.1. Liczba elementów skoñczonych i wêz³ów w modelach t³oka, tulei i piercienia t³okowego u¿ytych do badañ symulacyjnych wspó³pracy zespo³u TPC Rys. 8.4. Model piercienia t³okowego podzielony na elementy skoñczone z pow³ok¹
z azotku tytanu zamodelowan¹ w postaci elementów p³aszczyznowych Fig. 8.4. Model of the piston ring divided into finite elements
with titanium nitride coating in the form of plane elements
8.1. Etap I symulacja numeryczna
Model Liczba elementów Liczba wêz³ów T³ok z wk³adk¹ 38 760 9536 Piercieñ z pow³ok¹ 8230 2369 Tuleja 22 100 7465 Ca³y model 69 090 19 370
98 8. Przyk³ad pary tr¹cej piercieñtuleja zespo³u t³okpiercieniecylinder silnika spalinowego...
CMYK Rys. 8.5. Modele t³oka z wk³adk¹ kompensacyjn¹ oraz tulei podzielone na elementy skoñczone Fig. 8.5. Models of the piston with compensation piece and cylinder sleeve divided into finite elements