 |
خستگی سیکل بالا موتور پیستونی رفت و برگشتی
معرفی
در موتور پیستونی رفت و برگشتی، میله های اتصال حرکت چرخشی را به حرکت رفت و برگشتی منتقل می کنند. شاتون ها دائماً تحت فشارهای زیادی قرار می گیرند و بار با دور موتور افزایش می یابد. خرابی یک قطعه در موتور معمولاً منجر به تعویض کل موتور می شود. بنابراین، طراحی تمام قطعات موتور به گونه ای که هیچ یک از آنها در طول عمر عملیاتی خراب نشوند، بسیار مهم است. میله‌های اتصال به‌عنوان بخش‌های حیاتی شناسایی می‌شوند و در اینجا از منظر خستگی تحلیل می‌شوند. طول عمر خستگی با استفاده از معیار خستگی چرخه بالا Basquin پیش‌بینی می‌شود.
این مثال بر اساس مدلی در کتابخانه کاربردی ماژول Multibody Dynamics، موتور رفت و برگشتی سه سیلندر است که در آن یک شاتون به عنوان یک بدنه انعطاف‌پذیر مدل‌سازی می‌شود در حالی که قطعات باقی‌مانده به عنوان بدنه‌های صلب مدل‌سازی می‌شوند. اتصالات بین قسمت های مختلف با استفاده از انواع مختلف اتصالات به دست می آید. این تکنیک به طور قابل توجهی اندازه مدل را کاهش می دهد و در عین حال تعادل نیرو را در مجموعه حفظ می کند.
تعریف مدل
موتور سه سیلندر در شکل 1 ارائه شده است و در 1000 RPM کار می کند. اطلاعات مواد آن از فولاد سازه ای گرفته شده است. اطلاعات اضافی در مورد راه اندازی آن را می توان در مستندات موتور سه سیلندر رفت و برگشتی یافت .
داده های مواد حاصل از تست های خستگی در شکل 2 خلاصه شده است . یک رابطه Basquin با ثابت‌های ماده σf ‘ = 1043 MPa و b = – 0.116 تناسب خوبی با نتایج تجربی می‌دهد. این ماده حد خستگی 210 مگاپاسکال را نشان می دهد.
شکل 1: هندسه موتور پیستونی رفت و برگشتی.
شکل 2: منحنی مواد خستگی.
نتایج و بحث
در ابتدا تنش های موجود در فیله انتهای پیستون شاتون بررسی می شود، به شکل 3 مراجعه کنید.. یک فیله انتخاب می شود زیرا غلظت تنش به دلیل تغییر هندسی در آنجا انتظار می رود. قبل از به دست آوردن یک رفتار حالت پایدار، باید چند دور محاسبه شود. از چرخه سه، به نظر می رسد که تاریخچه استرس برای هر چرخه متوالی تکرار می شود. هم اوج تنش و هم چرخه تنش به طور کلی تقریباً یکسان است. تاریخچه تنش تحت تأثیر تنش اصلی سوم است زیرا شاتون در حالت فشرده سازی قرار دارد. دو تنش اصلی دیگر کوچک هستند به طوری که حالت تنش در فیله را می توان تک محوری در نظر گرفت. بنابراین تنش اصلی سوم به عنوان تنش دامنه در رابطه باسکین در نظر گرفته می‌شود در مقابل تنش فون میزس که ممکن است در یک بارگذاری چند محوری مناسب‌تر باشد. پیش بینی عمر خستگی در شکل 4 نشان داده شده است .
شکل 3: تاریخچه تنش در شاتون.
شکل 4: پیش بینی عمر خستگی در شاتون.
نقطه بحرانی در فیله نزدیک به انتهای بالای شاتون است که در آن مدل Basquin عمر خستگی طولانی‌تر از ده میلیارد (4·109) چرخه را پیش‌بینی می‌کند . این یک عمر بسیار طولانی است. بنابراین می توان انتظار داشت که تنش در مجموعه کمتر از حد استقامت باشد که برای ماده استفاده شده 210 مگاپاسکال است. با استفاده از رابطه باسکین
که در آن σ a دامنه تنش و N تعداد چرخه های شکست است، عمر حد تحمل خستگی را می توان به 62 میلیون چرخه محاسبه کرد. این مقدار کمتر از مقدار محاسبه شده است، شکل 4 را ببینید ، و بنابراین شاتون برای عمر بی نهایت طراحی شده است. این را می توان قبلاً در شکل 3 مشاهده کرد که در آن تاریخچه تنش نشان داده شده است. از آنجایی که محدوده تنش اصلی حدود 110 مگاپاسکال است، دامنه تنش حدود 55 مگاپاسکال است و این کمتر از حد استقامت ماده است.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
در ارزیابی Basquin می توان از پارامتر برش چرخه برای گنجاندن اثر حد استقامت استفاده کرد. تعداد چرخه هایی که حد استقامت را می دهد باید پس از آن محاسبه شود.
مسیر کتابخانه برنامه: Fatigue_Module/Stress_Life /engine_fatigue
دستورالعمل های مدل سازی
ریشه
در این مثال شما از یک مدل موجود از ماژول Multibody Dynamics شروع خواهید کرد.
کتابخانه های کاربردی
1 | از منوی File ، Application Libraries را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Application Libraries ، Multibody Dynamics Module>Automotive and Aerospace>Reciprocating_engine را در درخت انتخاب کنید. |
3 |  روی Open کلیک کنید . |
اگر مدل بدون راه حل ذخیره شده بود، اکنون باید قبل از ادامه، دو مطالعه موجود را اجرا کنید. برای اجرای Study: تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی ، باید گره Pressure Work را با کلیک راست بر روی Component 1 > Heat Transfer in Fluids > Fluid 1 > Pressure Work 1 و سپس روی Enable فعال کنید . این ممکن است نیاز به مجوز اضافی داشته باشد.
نحوه ایجاد استرس را ارزیابی کنید. یک نقطه را در یک فیله نزدیک به انتهای کوچک شاتون بررسی کنید.
نتایج
تاریخچه استرس: شاتون
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، تاریخچه استرس: میله اتصال را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه: تجزیه و تحلیل چند بدنه /راه حل 2 (3) (sol2) را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی Stress history: Connecting rod کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار نقطه ، بخش انتخاب را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 834 را در قسمت متن Selection تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
7 | در قسمت متن Expression ، mbd.sp1 را تایپ کنید . |
8 | از لیست واحد ، MPa را انتخاب کنید . |
9 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
10 | در قسمت Expression text theta/(2*pi) را تایپ کنید . |
11 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را انتخاب کنید . |
12 | از فهرست Legends ، Manual را انتخاب کنید . |
13 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
استرس اصلی اول |
14 | در تاریخچه استرس: نوار ابزار میله اتصال ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار نقطه 2
1 | روی Point Graph 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، mbd.sp2 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
استرس اصلی دوم |
5 | در تاریخچه استرس: نوار ابزار میله اتصال ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار نقطه 3
1 | روی Point Graph 2 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، mbd.sp3 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
استرس اصلی سوم |
5 | در تاریخچه استرس: نوار ابزار میله اتصال ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودار نقطه 4
1 | روی Point Graph 3 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، mbd.mises را تایپ کنید . |
4 | قسمت Legends را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
افسانه ها |
استرس فون میزس |
5 | در تاریخچه استرس: نوار ابزار میله اتصال ، روی  Plot کلیک کنید . |
تاریخچه استرس: شاتون
1 | در پنجره Model Builder ، روی Stress history: Connecting rod کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، چرخش میل لنگ (چرخه) را تایپ کنید . |
4 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Stress (MPa) را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن عنوان ، Stress history را در فیله شاتون تایپ کنید . |
7 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، پایین سمت چپ را انتخاب کنید . |
8 | در تاریخچه استرس: نوار ابزار میله اتصال ، روی  Plot کلیک کنید . |
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، Structural Mechanics>Fatigue (ftg) را انتخاب کنید . |
4 | رابط های فیزیک را در زیربخش مطالعه بیابید . در جدول، کادرهای حل را برای مطالعه: تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی و مطالعه: تجزیه و تحلیل چند جسمی پاک کنید . |
5 | روی Add to Multibody Analysis در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
6 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
خستگی (FTG)
استرس زندگی 1
1 | روی Multibody Analysis (comp2)>Fatigue (ftg) کلیک راست کرده و ارزیابی مرزی Stress-Life را انتخاب کنید . |
مرزهای شاتون را در وسط انتخاب کنید. انجام این کار با استفاده از انتخاب مرز از دامنه آسان تر است.
تعاریف (COMP2)
مرزهای میله میانی
1 | در پنجره Model Builder ، گره Multibody Analysis (comp2)>Definitions را گسترش دهید . |
2 | روی Multibody Analysis (comp2)>Definitions کلیک راست کرده و Selections>Explicit را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای Explicit ، Middle Rod Boundaries را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
4 | فقط دامنه 6 را انتخاب کنید. |
5 | قسمت Output Entities را پیدا کنید . از لیست موجودیت های خروجی ، مرزهای مجاور را انتخاب کنید . |
خستگی (FTG)
استرس زندگی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش Multibody Analysis (comp2)>Fatigue (ftg) روی Stress-Life 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای استرس زندگی ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، Middle Rod Boundaries را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Fatigue Model Selection را پیدا کنید . از لیست Criterion ، Basquin را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Solution Field را پیدا کنید . از لیست رابط فیزیک ، Multibody Dynamics (mbd) را انتخاب کنید . |
6 | قسمت پارامترهای مدل خستگی را پیدا کنید . از لیست σ f ′ ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، 1.043e9 را تایپ کنید . |
7 | از لیست b ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، -0.116 را تایپ کنید . |
می توان از مقدار قطع برای تعیین حد استقامت استفاده کرد. در این مثال، برش بر روی یک مقدار بالا تنظیم شده است تا بررسی شود که چگونه مدل باسکوین طول عمر را در صورتی که ماده دارای محدودیت استقامتی نباشد، پیش‌بینی می‌کند.
8 | قسمت تنظیمات ارزیابی را پیدا کنید . در قسمت متن برش N ، 1e20 را تایپ کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، مطالعات از پیش تعیین شده برای رابط های فیزیک انتخاب شده > خستگی> خستگی را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 3
مرحله 1: خستگی
1 | در پنجره تنظیمات برای خستگی ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
2 | تیک Include geometric nonlinearity را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Values of Dependent Variables را پیدا کنید . مقادیر متغیرهای حل نشده را برای بخش فرعی پیدا کنید . از لیست تنظیمات ، کنترل کاربر را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ، راه حل را انتخاب کنید . |
5 | از لیست Study ، Study: Multibody Analysis، Time Dependent را انتخاب کنید . |
6 | از لیست زمان (ها) ، از لیست را انتخاب کنید . |
7 | در لیست زمان ( ها) ، 0.1368 S ، 0.1372 S ، 0.1376 S ، 0.138 S ، 0.1384 S ، 0.1388 S ، 0.1392 S ، 0.1396 S ، 0.14 S ، 0.1404 S ، 0.1408 S ، 0.1408 S ، 0.1412 S ، 0.1412 S ، 0.141416 S ، 0.14142 S ، 0.1412 S ، 0.1412 S ، 0.1412 , 0.1424 s , 0.1428 s , 0.1432 S ، 0.1436 S ، 0.144 S ، 0.1444 S ، 0.1448 S ، 0.1452 S ، 0.1456 S ، 0.146 S ، 0.1464 S ، 0.1468 S ، 0.1472 S ، 0.1476 S ، 0.148 S ، 0.1484 S ، 0.1484 S ، 0.1488 S ، 0.1488 S ، 0.1488 S ، 0.1488 S ، 0.1488 S ، 0.1484 0.15 s ، 0.1504 S ، 0.1508 S ، 0.1512 S ، 0.1516 S ، 0.152 S ، 0.1524 S ، 0.1528 S ، 0.1532 S ، 0.1536 S ، 0.154 S ، 0.1548 S ، 0.1548 S ، 0.1552 S ، 0.1556 S ، 0.1556 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 S ، 0.156 0.1572 s _ 0.1576 s ، 0.158 s ، 0.1584 s ، 0.1588 s ، 0.1592 s ، 0.1596 s و 0.16 s . |
8 | در پنجره Model Builder ، روی Study 3 کلیک کنید . |
9 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، مطالعه: تجزیه و تحلیل خستگی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
10 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
چرخه های شکست (ftg)
نمودار نشان دهنده چرخه های شکست ( شکل 4 ) به طور پیش فرض ایجاد می شود.
