PHÂN TÍCH ỨNG SUẤT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON ĐỘNG CƠ KHÔNG TRỤC KHUỶU

LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1.1. Lý do chọn đề tài 1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 1 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 2 1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.3.1. Mục đích nghiên cứu. 4 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 4 1.3.3. Phạm vi nghiên cứu 4 1.3.4. Nội dung nghiên cứu 5 1.3.5. Phương pháp nghiên cứu 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 6 2.1. Ứng suất nhiệt của PistonXylanh 6 2.1.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 7 LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1.1. Lý do chọn đề tài 1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 1 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 2 1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.3.1. Mục đích nghiên cứu. 4 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 4 1.3.3. Phạm vi nghiên cứu 4 1.3.4. Nội dung nghiên cứu 5 1.3.5. Phương pháp nghiên cứu 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 6 2.1. Ứng suất nhiệt của PistonXylanh 6 2.1.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 7 2.1.2. Trao đổi nhiệt đối lưu 9 2.1.3. Trao đổi nhiệt bức xạ 10 2.2. Tính toán trường nhiệt độ của Piston 11 2.2.1. Phương trình vi phân truyền nhiệt 11 2.2.2. Các giả thiết và điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ. 15 2.2.3. Cơ sở lý thuyết của bài toán phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt độ 16 2.3. Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt 21 2.4. Lựa chọn phương pháp tính toán 22 2.4.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.4.2. Lựa chọn phần mềm tính toán 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THIẾT LẬP CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG 26 3.1. Tính toán, xây dựng mô hình phân tích 26 3.1.1. Tính toán lý thuyết 26 3.1.2. Xây dựng mô hình tính toán 42 3.2. Quy trình phân tích các thông số 49 3.2.1. Quy trình chung 17 49 3.2.2. Các bước phân tích 50 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 55 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON 56 4.1. Kết quả phân tích 56 4.1.1 Kết quả phân tích ứng suất nhiệt, biến dạng, nhiệt độ, thông lượng nhiệt của Piston và ứng suất của Xylanh 56 4.1.2. Kết quả ứng suất ở các giá trị áp suất khác nhau cuả Piston 62 4.1.3. Kết quả phân tích ống lót của Xylanh ở các giá trị áp suất khác nhau. 71 LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1.1. Lý do chọn đề tài 1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.2.1. Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 1 1.2.2. Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 2 1.3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 1.3.1. Mục đích nghiên cứu. 4 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 4 1.3.3. Phạm vi nghiên cứu 4 1.3.4. Nội dung nghiên cứu 5 1.3.5. Phương pháp nghiên cứu 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 6 2.1. Ứng suất nhiệt của PistonXylanh 6 2.1.1. Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 7 2.1.2. Trao đổi nhiệt đối lưu 9 2.1.3. Trao đổi nhiệt bức xạ 10 2.2. Tính toán trường nhiệt độ của Piston 11 2.2.1. Phương trình vi phân truyền nhiệt 11 2.2.2. Các giả thiết và điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ. 15 2.2.3. Cơ sở lý thuyết của bài toán phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt độ 16 2.3. Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt 21 2.4. Lựa chọn phương pháp tính toán 22 2.4.1. Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.4.2. Lựa chọn phần mềm tính toán 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THIẾT LẬP CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG 26 3.1. Tính toán, xây dựng mô hình phân tích 26 3.1.1. Tính toán lý thuyết 26 3.1.2. Xây dựng mô hình tính toán 42 3.2. Quy trình phân tích các thông số 49 3.2.1. Quy trình chung 17 49 3.2.2. Các bước phân tích 50 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 55 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON 56 4.1. Kết quả phân tích 56 4.1.1 Kết quả phân tích ứng suất nhiệt, biến dạng, nhiệt độ, thông lượng nhiệt của Piston và ứng suất của Xylanh 56 4.1.2. Kết quả ứng suất ở các giá trị áp suất khác nhau cuả Piston 62 4.1.3. Kết quả phân tích ống lót của Xylanh ở các giá trị áp suất khác nhau. 71 4.1.4. Phân tích mỏi 18 74 4.2. Cải tiến kết cấu và vật liệu của Piston 19 75 4.2.1. Cải tiến chốt Piston 76 4.2.2. Thay đổi vật liệu sản xuất Piston 20 81 4.2.3. Kết hợp thay đổi bệ chốt Piston và thay đổi vật liệu 86 4.3. Ứng dụng 93 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 95 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 97 5.1. Kết luận 97 5.2. Kiến nghị 97 5.3. Hướng phát triển của đề tài 98 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC 102 Phụ lục 1: Code vẽ đồ thị từ matlab 102 Phụ lục 2: Các bước thiết kế Piston và xy lanh 104 2.1. Quy trình thiết kế Piston 104 2.2. Các bước thiết kế Xylanh 110

PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON ĐỘNG

Thành phốHồChí Minh, tháng 08năm 2021

GVHD:

PHÁP CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON ĐỘNG

GVHD:

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

1 Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của Piston

động cơ không trục khuỷu

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu về ứng suất nhiệt, tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên Piston và Xylanh trong và ngoài nước

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt và phương pháp tính toán ứng suất nhiệt

- Thiết kế mô hình cụm Piston - Xylanh dùng trên động cơ máy cắt cỏ bằng phần mềm CATIA

- Mô phỏng ứng suất cơ nhiệt của cụm Piston-Xylanh ở các chế độ tải (áp suất) khác nhau và kiểm tra bền bằng phần mềm ANSYS

- Phân tích ứng suất tác động lên cụm Piston-Xylanh dựa vào kết quả mô phỏng

- Cải tiến Piston để tối ưu hoá ứng suất, biến dạng và giảm khối lượng chi tiết

- Đề xuất phương án cải tiến tốt nhất

- Thiết kế cải tiến cụm Piston để giảm ứng suất nhiệt theo phương án tốt nhất

4 Sản phẩm: Tập thuyết minh

Tp Hồ Chí Minh, ngày - tháng - năm 2021

Trưởng ngành Giáo viên hướng dẫn

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

NHẬN XÉT

Họvà têngiảng viênhướng dẫn:

động cơ không trục khuỷu.

Tên đề tài: Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp cải tiến kết cấu của Piston

Ngành:Công nghệKỹthuật ô tô

Họvà tên sinh viên:

Họvà tên sinh viên:

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ:

)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

NHẬN XÉT

Họvà têngiảng viênphản biện:

Piston Xylanh trong động cơ không trục khuỷu.

Tên đềtài:Phân tích ứng suất và đề xuất giải pháp tối ưu hóa ứng suất cụm

Ngành: Công nghệKỹthuật ô tô

Họvà tên sinh viên:

Họvà tên sinh viên:

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo vệ Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn:

Giảng viên phản biện:

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

Họvàtên Sinh viên:

Nhóm sinh viên thực hiện

thành Đồán Tốt nghiệp

kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong suốt quá trình học tập và hoàn Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều

giúp chúng em hoàn thành Đồán mà còn trong con đường nghềnghiệp sắp tới

trình học tập và rèn luyện tại trường Đó là nền tảng, định hướng vững chắc không chỉ

đã dạy cho chúng em những kiến thức bổ ích, những kinh nghiệm quý báu trong quáphạm Kỹthuật TP.HCM nói chung, các Thầy Cô trong khoa Cơ khí Động lực nói riêng Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Trường Đại học Sư

thành Đồán này

liệu, kiểm tra theo dõi tiến độ trong quá trình thực hiện đểchúng em có thểhoàn

án Thầy đã tận tình giúp đỡchúng em trong quá trình lựachọn đề tài, cung cấp tài

Cơ khí Động lực -người đã hướng dẫn, chỉ bảo chúng emtrong suốt quá trình làm Đồ

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy , giảngviên Bộmôn Động cơ, khoa

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉbảo nhiệt tình của Quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè

Trong thời gian thực hiện Đồán Tốt nghiệp, chúng em đã nhận được nhiều sự giúp

LỜI CẢM ƠN

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời gian gần đây, bất chấp sự ra đời của xe hoàn toàn chạy điện, động cơ đốt trong vẫn có thể tồn tại trong một thời gian dài nữa, như là một thành phần của xe plug-in hybrid, xe điện mở rộng phạm vi hoạt động bằng máy phát điện Hiện tại, động

cơ xăng chạy máy phát điện sử dụng trên xe plug-in hybrid của các hãng ô tô trên thế giới là động cơ chu kỳ Atkinson, nhiều nhà sản xuất đặt tên là động cơ "van biến thiên", có khả năng tăng thể tích kỳ dãn nở, giảm thể tích kỳ hút nén, được đánh giá là hiệu quả về tiết kiệm nhiên liệu hơn động cơ xăng thông thường 10%

Tuy nhiên các nhà nghiên cứu Cơ quan không gian Đức (DLR) và Trung tâm nghiên cứu phát triển của Toyota chưa hài lòng với mức hiệu quả nhiên liệu của động cơ Atkinson nên đã phát triển một hệ thống máy nổ - phát điện mới được đặt tên "Động cơ Piston tự do phát điện tuyến tính" (Free Piston Engine Linear Generator, FPEG)

Động cơ Piston tự do (Free Piston Engine) và máy phát điện tuyến tính (Linear Generator) đều không phải là ý tưởng mới Năm 1959 một kiểu mẫu động cơ Piston tự

do đầu tiên sản xuất khí nén và dùng khí nén để quay turbin phát điện đã được cấp bằng sáng chế ở Đức

Dựa trên cơ sở kế thừa những bài báo cáo, những công trình nghiên cứu đã có trên những động cơ truyền thống, nhóm chúng em tổng hợp và chọn lọc để trình bày cơ sở

lý thuyết, phương pháp mô phỏng ứng suất nhiệt và ứng suất cơ bằng phần mềm ANYSIS và tối ưu kết cấu cụm Piston - Xylanh Từ đó có thể góp phần cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng loại động cơ này ở nước ta

trong quá trình thực hiện đểchúng emcó thểhoàn thànhđồán này.

cung cấp tài liệu nghiên cứu liên quan đến đề tài và giảiđáp những thắc mắc gặp phải

của động cơ không trục khuỷu bằng phần mềm ANSYS Bên cạnh đó em được thầy

• Mô phỏng và đánh giá ứng suất cụm Piston – Xylanh bằng phần mềm

• Thiết kếmô hình củaPiston,Nắp máy-Xylanhbằng phần mềmCATIA

• Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt, tính toán ứng suất cơ nhiệt trên Piston –

• Tình hình nghiên cứu ứng suất nhiệt trên Piston– Xylanh của động cơ đốttrung chủyếu vào các nội dung sau:

của động cơ đốt trong nói chung và động cơ không trục khuỷu nói riêng, chúng em tập Dựa vào các kiến thức đã học và tài liệu tham khảo vềphân tíchứng suất các chi tiết

Trong bài nghiên cứu về:

TÓM TẮT

MỤC LỤC

Số trang

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2.1 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước 1

1.2.2 Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 2

1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Mục đích nghiên cứu 4

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết kế 4

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu 4

1.3.4 Nội dung nghiên cứu 5

1.3.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 6

2.1 Ứng suất nhiệt của Piston-Xylanh 6

2.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt 7

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 9

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ 10

2.2 Tính toán trường nhiệt độ của Piston 11

2.2.1 Phương trình vi phân truyền nhiệt 11

2.2.2 Các giả thiết và điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ 15

2.2.3 Cơ sở lý thuyết của bài toán phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt độ 16

2.3 Các phương pháp tính toán ứng suất nhiệt 21

2.4 Lựa chọn phương pháp tính toán 22

2.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán ứng suất nhiệt theo phương pháp phần tử hữu hạn 23

2.4.2 Lựa chọn phần mềm tính toán 25

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THIẾT LẬP CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG 26

3.1 Tính toán, xây dựng mô hình phân tích 26

3.1.1 Tính toán lý thuyết 26

3.1.2 Xây dựng mô hình tính toán 42

3.2 Quy trình phân tích các thông số 49

3.2.1 Quy trình chung [17] 49

3.2.2 Các bước phân tích 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 55

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ CẢI TIẾN KẾT CẤU CỦA PISTON56 4.1 Kết quả phân tích 56

4.1.1 Kết quả phân tích ứng suất nhiệt, biến dạng, nhiệt độ, thông lượng nhiệt của Piston và ứng suất của Xylanh 56

4.1.2 Kết quả ứng suất ở các giá trị áp suất khác nhau cuả Piston 62

4.1.3 Kết quả phân tích ống lót của Xylanh ở các giá trị áp suất khác nhau 71

4.1.4 Phân tích mỏi [18] 74

4.2 Cải tiến kết cấu và vật liệu của Piston [19] 75

4.2.1 Cải tiến chốt Piston 76

4.2.2 Thay đổi vật liệu sản xuất Piston [20] 81

4.2.3 Kết hợp thay đổi bệ chốt Piston và thay đổi vật liệu 86

4.3 Ứng dụng 93

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 95

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 97

5.1 Kết luận 97

5.2 Kiến nghị 97

5.3 Hướng phát triển của đề tài 98

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

PHỤ LỤC 102

Phụ lục 1: Code vẽ đồ thị từ matlab 102

Phụ lục 2: Các bước thiết kế Piston và xy lanh 104

2.1 Quy trình thiết kế Piston 104

2.2 Các bước thiết kế Xylanh 110

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

FPEG: Free Piston Engine Generaror

PTHH: Phần tử hữu hạn

SPHH: Sai phân hữu hạn

PTB: Phần tử biên

CAE: Computer-Aided Engineering

FEM: Finite Element Method

FEA: Finite Element Analysis

PEO: Product Engineering Optimizer

𝜎𝑡: ứng suất nhiệt (MPa)

E: modun Young (GPa)

𝜈: hệ số Poisson

G: mô đun đàn hồi khi trượt của vật liệu (GPa)

Cm: tốc độ trung bình của Piston (m/s)

Vh: thể tích công tác của Xylanh (𝑚3)

D: đường kính Xylanh (m)

S: hành trình Piston (m)

n: tốc độ quay trục khuỷu (v/p)

τ: số kỳ

Po: áp suất đường nén thuần túy không có quá trình cháy (N/𝑚2)

Cu là tốc độ xoáy lốc của môi chất trong Xylanh (m/s)

𝛼Σ: Hệ số trao đổi nhiệt tựa tĩnh

𝑇Σ: Nhiệt độ tương đương (K)

tH: bề dày đỉnh Piston (mm)

Pmax: áp suất lớn nhất tác dụng lên Piston (N/𝑚𝑚2)

tH: bề dày đỉnh Piston (mm)

𝜎𝑘: ứng suất kéo cho phép đối với vật liệu làm Piston (N/𝑚𝑚2)

Pw: áp suất của nhiên liệu lên thành Xylanh (N/mm²)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3 1: Các thông số ban đầu và cấu trúc của động cơ 26

Bảng 3 2: Đặc tính vật liệu ban đầu của Piston 46

Bảng 4 1: Ứng suất và biến dạng của Piston ở các chế độ áp suất khác nhau 72

Bảng 4 2: Thông số của các loại vật liệu 84

Bảng 4 3: Ứng suất và biến dạng của các loại vật liệu 85

Bảng 4 4: Khối lượng và thể tích của Piston ban đầu và sau khi cải tiến 89

Bảng 4 5: Thông số tổng thể ban đầu và sau khi tối ưu các hạng mục 94

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

Hình 2 1: Hệ tọa độ trụ 14

Hình 2 2: Các dạng phần tử hữu hạn 19

Hình 3 1: Đồ thị công P-V 36

Hình 3 2: Đồ thị Công P-V mô phỏng bằng matab 37

Hình 3 3: Thông số kết cấu của Piston 38

Hình 3 4: Mô hình 2D của Piston 39

Hình 3 5: Thông số kết cấu của Xylanh 39

Hình 3 6: Mô hình 2D của Nắp máy-Xylanh 41

Hình 3 7: Phân bố nhiệt độ trên Piston 43

Hình 4 1: Phân bố nhiệt độ trên Piston 56

Hình 4 2: Tổng thông lượng nhiệt của Piston 57

Hình 4 3: Ứng suất nhiệt của Piston với áp suất buồng đốt p=5 Mpa 58

Hình 4 4: Biến dạng của Piston với áp suất buồng đốt p=5 MPa 61

Hình 4 5 và Hình 4 6: Ứng suất và biến dạng của Xylanh ở giá trị áp suất buồng đốt bằng 5 MPa 62

Hình 4 7: Ứng suất nhiệt của Piston ở áp suất buồng đốt p=6 MPa 63

Hình 4 8: Biến dạng của Piston ở áp suất buồng đốt p=6 MPa 64

Hình 4 9: Ứng suất nhiệt của Piston ở áp suất buồng đốt p=7 MPa 64

Hình 4 10: Biến dạng của Piston ở điều kiện áp suất buồng đốt p=7 MPa 65

Hình 4 11: Ứng suất nhiệt của Piston ở áp suất buồng đốt p=8 MPa 66

Hình 4 12: Biến dạng của Piston ở áp suất buồng đốt p=8 MPa 66

Hình 4 13: Biến dạng của Piston ở áp suất buồng đốt p=9 MPa 67

Hình 4 14: Ứng suất nhiệt của Piston ở áp suất buồng đốt p=9 MPa 67

Hình 4 15 và Hình 4 16: Ứng suất và tổng biến dạng 1 phần của Xylanh ở áp suất buồng đốt p=6 MPa 71

Hình 4 17: Ứng suất nhiệt của Piston khi tăng độ dày chốt từ 2mm-2,5mm 77

Hình 4 18: Ứng suất nhiệt của Piston khi tăng độ dày chốt từ 2,5mm-3mm 77

Hình 4 19: Tổng biến dạng của Piston khi tăng độ dày chốt từ 2mm-2,5mm 79

Hình 4 20: Tổng biến dạng của Piston khi tăng độ dày chốt từ 2,5mm-3mm 79

Hình 4 21: Mô hình Piston hoàn thiện sau khi cải tiến 81

Hình 4 22: Ứng suất nhiệt của Piston với bệ chốt là 3 (mm) dùng vật liệu hợp kim

nhôm (6005A) 87

Hình 4 23: Biến dạng của Piston với bệ chốt là 3 (mm) dùng vật liệu hợp kim nhôm (6005A) 87

Hình 4 24: Ứng suất nhiệt của Piston với bệ chốt là 3 (mm) dùng vật liệu hợp kim Titanium 88

Hình 4 25: Biến dạng của Piston với bệ chốt là 3 (mm) dùng vật liệu hợp kim Titanium 88

Hình 4 26: Mô hình Piston sau khi đã cải tiến 96

Hình phụ lục 1: Mô hình Piston sau khi hoàn thành thiết kế 109

Hình phụ lục 2: Mô hình của Nắp máy-Xylanh 138

Biểu đồ 4 1: Thể hiện ứng suất của Piston ở các khoảng sức căng bề mặt khác nhau

68

Biểu đồ 4 2: Thể hiện ứng suất của Piston ở các khoảng giá trị áp suất buồng đốt khác nhau 69

Biểu đồ 4 3: Thể hiện biến dạng của Piston ở các chế độ áp suất buồng đốt khác nhau 69

Biểu đồ 4 4: Biểu đồ đường thể hiện ứng suất của Xylanh ở các chế độ áp suất buồng đốt khác nhau 72

Biểu đồ 4 5: Biểu đồ đường thể hiện biến dạng của Xylanh ở các chế độ áp suất buồng đốt khác nhau 73

Biểu đồ 4 6: Thể hiện ứng suất nhiệt khi thay đổi độ dày thành chốt Piston so với ban đầu 78

Biểu đồ 4 7: Thể hiện biến dạng khi thay đổi độ dày thành chốt Piston so với ban đầu 80

Biểu đồ 4 8: So sánh sự khác nhau về các yếu tố tác động lên Piston giữa các loại vật liệu 86

Biểu đồ 4 9: So sánh Ứng suất và Tổng biến dạng của piston ở bệ dày chốt bằng 3 kết hợp với thay đổi 2 loại vật liệu hợp kim nhôm và hợp kim titanium 89

Biểu đồ 4 10: Biểu đồ thể hiện khối lượng và thể tích của Piston trước và sau khi cải tiến 90

Biểu đồ 4 11: Biểu đồ thể hiện ứng suất của Piston ban đầu (với vật liệu là thép) và sau khi cải tiến (với vật liệu là hợp kim titanium) 93

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Trong hầu hết các loại động cơ đốt trong ngày nay cụm Piston- Xylanh là thành phần quan trọng Sự làm việc của cụm Piston ảnh hưởng nhiều đến tình trạng vận hành của động cơ, cụm Piston là thành phần đóng vai trò quan trọng hoạt động bên trong xy lanh Piston có vai trò chuyển đổi nhiệt năng lượng từ nhiên liệu thành cơ năng cùng với các xéc măng làm kín buồng đốt để ngăn khí đi qua do dầu bôi trơn Trong động

cơ không trục khuỷu này, Piston truyền lực từ khí nở sinh ra trong xy lanh đến cụm maý phát điện

Piston chịu rất nhiều ma sát, ứng suất nhiệt và cơ, tải trọng nhiệt, áp suất khí theo chu kỳ, lực quán tính sinh ra trong quá trình hoạt động dẫn đến nhanh mài mòn Piston

do mỏi Tương tự như Piston, xy lanh cũng chịu nhiệt độ cao và biến thiên không đều đặc biệt vùng dưới chịu nhiệt độ cao hơn vùng trên… Chính vì lý do này nên chúng ta cần phải tối ưu hóa thiết kế cụm Piston Xylanh bằng các thông số và loại vật liệu khác nhau, mô phỏng ứng suất cụm Piston-Xylanh ở các chế độ tải khác nhau bằng phần mềm Anysis và Catia Trong đồ án này, em xác định các tính toán ứng suất khác nhau bằng cách dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích ứng suất nhiệt, tổng biến dạng và thông lượng nhiệt

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Các nghiên cứu ứng dụng trong nước

Bài báo “Tính toán biến dạng của ống lót Xylanh động cơ 6ч12/14 bằng phương

pháp phần tử hữu hạn” [1] của nhóm tác giả Đào Trọng Thắng, Trần Nhật Quang,

Nguyễn Lê Văn, Phùng Văn Được đến từ Học viện Kỹ thuật Quân sự Tác giả xác định một nội dung quan trọng khi tính toán thiết kế, chế tạo ống lót Xylanh động cơ là phải xác định được các lực tác dụng lên ống lót cũng như biến dạng của ống lót khi làm việc Bài báo này trình bày các kết quả tính toán sự biến dạng của ống lót Xylanh

động cơ 6Ч12/14 bằng phương pháp phần tử hữu hạn khi ứng dụng phần mềm ANSYS

Bài báo khoa học “Nghiên cứu xác định trường ứng suất trong trục khuỷu động

cơ d12 bằng phương pháp phần tử hữu hạn” [2] của tác giả Nguyễn Bá Hữu, Quách

Hoài Nam đăng trên Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 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, 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 trên trục khuỷu

Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu ứng suất nhiệt của Piston động cơ M504 khi lắp

thay cho động cơ M503A trên tàu cảnh sát biển” [3] của tác giả Nguyễn Mạnh

Khương năm 2005 Tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết của bài toán xác định ứng suất nhiệt và các phương pháp tính, xây dựng mô hình tính toán ứng suất nhiệt của Piston

sử dụng phần mềm ANSYS

Đồ Án Tốt Nghiệp “Thiết kế, phân tích và tối ưu hóa ứng suất nhiệt cụm

Piston-Xylanh cuả động cơ không trục khuỷu” [4] cuả nhóm sinh viên Đặng Xuân Hòa Tác

giả đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết, thiết kế và mô phỏng ứng suất nhiệt của cụm Piston Xylanh bằng phần mềm Catia

1.2.2 Các nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

Có rất nhiều công trình nghiên cứu, các bài báo khoa học trình bày về phân tích ứng suất, biến dạng và tối ưu hóa kết cấu Piston, Xylanh Dưới đây là một vài công trình tiêu biểu có liên quan tới nghiên cứu của nhóm:

Bài báo khoa học “Design and analysis of i.c engine Piston and Piston-ring on

composite material using Creo and Ansys software” [5] của tác giả K SathishKumar

đăng trên tạp chí Journal of Engineering andScience Vol 01, Special Issue 01, July

2016 Trong bài báo này, sự phân bố ứng suất được đánh giá trên Piston của động cơ bốn kỳ bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) Phân tích trường nhiệt độ được thực hiện để tính toán ứng suất và độ võng do tải nhiệt và áp suất khí thể Các ứng suất này sẽ được tính toán cho hai vật liệu khác nhau này là hợp kim nhôm và vật liệu composite ZrB2 được gia cường SiC Kết quả được so sánh cho cả hai vật liệu và vật liệu tốt nhất được đề xuất Thiết kế của tác giả có sự hỗ trợ của máy tính (CAD), phần mềm CREO sẽ phát triển mô hình kết cấu của Piston, việc phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện bằng phần mềm ANSYS

Báo cáo khoa học “Stress Analysis of Piston at Different” [6] của tác giả

Mr.Sanket R.Jayale, Prof G.A.Kadam, Mr.Umar Pathan đăng trên tạp chí PG Student,

Department of Mechanical Engineering, SKNSITS, Lonavala, India Mục đích cuả bài

báo này là phân tích kết cấu và nhiệt của cụm Piston bằng phần mềm Anysis

Bài báo “Thermal Stress Analysis of a Speculative IC Engine Piston using CAE

Tools” [7] của Hitesh pandey, Avin Chandrakar, PM Bhagwat đăng trên Hitesh

pandey et al Int Journal of Engineering Research and Applications Bài báo đề cập

đến áp suất do khí cháy giãn nở trong không gian buồng đốt ở trên cùng của Xylanh, tạo ra ứng suất nhiệt do sự có mặt của nhiệt tham gia vào các khối Piston Công việc hiện tại đề cập đến việc sử dụng các vật liệu khác nhau cho Piston động cơ vi mạch và một nghiên cứu so sánh được thực hiện để đạt được kết quả tốt nhất có thể Các thông

số Piston được lấy theo công thức thông thường và không đổi trong suốt quá trình phân tích Hơn nữa, các điều kiện biên được chọn sao cho Piston không di chuyển sang một bên ngoại trừ hướng của đường tác dụng của chính Piston

Luận văn thạc sĩ “Designing and modeling of Piston in combustion engines” [8]

của Jaume Anguera Llort đến từ Cracow University of Technology Mục đích của luận

văn này là thiết kế và tính toán một Piston cho động cơ diesel hai kỳ cỡ lớn Bằng việc dùng phần mềm Ansys tác giả đã phân tích được ứng suất và biến dạng của Piston do tải trọng nhiệt và tải trọng cơ học ở ở những vùng khác nhau Từ đó đề xuất phương án tối ưu hóa hình dạng để có được một Piston được tính toán rất kỹ và đáp ứng tốt nhất

có thể với thực tế

Luận văn tốt nghiệp “3D mechanical and thermal analysis of an Aluminium

Piston for a high-speed Diesel laboratory engine” [9] cuả tác giả Steinar Haugland

đến từ Western Norway University of Applied Sciences Department of Mechanical and Marine Engineering Mục đích của luận văn này là thiết kế một Piston bằng nhôm đúc của động cơ diesel xy lanh đơn bằng phương pháp sử dụng phần tử nite từ đó kiểm tra độ bền và sức mạnh của Piston khi chịu tải trọng nhiệt và cơ học cao, kiểm tra tình trạng hoạt động của Piston và các khu vực chịu biến dạng nhiều nhất theo chu kỳ có thể dẫn đến mỏi

1.3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Mục đích nghiên cứu

Thiết kế và phân tích ứng suất trên cụm Piston - Xylanh của máy phát điện tuyến tính động cơ Piston tự do FPEG (Free Piston Engine Generator) bằng phần mềm Anysis Bên cạnh đó dựa vào mô hình Piston đã thiết kế trong Anysis dùng Catia để xuất ra file 2D Trên cơ sơ kết quả phân tích, đề xuất phương án tối ưu hóa kết cấu, hình dạng của Piston và lựa chọn vật liệu để phù hợp với yêu cầu làm việc của động

cơ

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu và thiết kế

Cụm Piston-Xylanh của động cơ 2 kỳ ứng dụng trên máy cắt cỏ

1.3.3 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng các kiến thức trong quá trình học, nghiên cứu các bài báo cáo khoa học về cách phân tích ứng suất, kiểm tra bền trên Piston và Xylanh, chủ yếu là từ các tài liệu trong và ngoài nước của các trường đại học, nhóm nghiên cứu trên thế giới

1.3.4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt, phân tích ứng suất nhiệt, biến dạng và kiểm tra bền cho cụm Piston- Xylanh

- Thiết kế mô hình cụm Piston-Xylanh trên máy phát động cơ Piston tự do

- Tính toán các thông số ở các quá trình hoạt động và vẽ đồ thị công P-V

- Xác định các tính toán ứng suất khác nhau bằng cách sử dụng phần tử hữu hạn để phân tích nhiệt

- Phân tích ứng suất nhiệt, biến dạng, nhiệt độ, thông lượng nhiệt phân bố trên Piston và kiểm tra bền

- Tìm ra các khu vực khác nhau nơi gây ra hỏng hóc biến dạng cho Piston

- Cải tiến Piston và đề xuất phương pháp tối ưu hóa kết cấu cụm Piston-Xylanh

- Mô phỏng ứng suất ở các loại vật liệu vả chọn loại vật liệu tối ưu nhất sản xuất Piston

1.3.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tìm kiếm, kham khảo đọc hiểu nhiều nguồn

tài liệu có liên quan đến đề tài của mình để phân tích và tổng hợp những nội dung chính cần nghiên cứu Tham khảo hướng dẫn sử dụng các phần mềm liên quan

Phương pháp mô hình hóa-mô phỏng: Thiết kế mô hình Piston và Xylanh bằng

phần mềm Catia sau đó mô phỏng bằng phần mềm Anysis Sau khi hoàn thành việc thiết kế thì tiến hành phân tích nó trong một chương trình phần tử hữu hạn Có rất nhiều chương trình trên thị trường nhưng trong trường hợp này Catia và Anysis sẽ được sử dụng chủ yếu

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH

2.1 Ứng suất nhiệt của Piston-Xylanh

Thực tế sử dụng cho thấy rằng cần phải khảo sát, đánh giá trạng thái ứng suất để nhận định về tuổi thọ của động cơ nói chung Trên Piston và Xylanh có các ứng suất khác nhau tác dụng nên cần phải phân loại và đánh giá hiệu ứng tác động của chúng Ứng suất tác động lên Piston có thể chia thành 2 nhóm chính bao gồm ứng suất cơ

và ứng suất nhiệt

Nhóm ứng suất cơ có thể được chia thành:[10]

Ứng suất cơ tạo bởi áp suất khí thể trong Xy lanh động cơ có giá trị lớn hơn nhiều

so với ứng suất dư và ứng suất lắp ghép Tần số biến thiên của thành phần ứng suất này phụ thuộc vào tốc độ biến thiên các chu trình công tác của động cơ còn trị số của

nó lại phụ thuộc vào tải của động cơ

Ứng suất dư: Luôn tồn tại kể từ khi tạo phôi, khi gia công cơ khí và cả sau khi nhiệt luyện Cho đến nay vẫn chưa thể xác định độ lớn (trị số) của dạng ứng suất này trong các chi tiết thực Ứng suất dư có thể giảm xuống, dạng ứng suất này kết hợp với ứng suất tạo nên ngoại lực, khi động cơ làm việc ở tải cao dạng kết hợp này có thể tạo ra nhiều vết nứt, gãy Piston

Ứng suất lắp ghép: Xuất hiện do chèn ép khi lắp ghép với các cụm, chi tiết khác như chốt Piston, thanh truyền,… ứng suất này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ của các chi tiết mà nhiệt độ này biến đổi thường xuyên theo chế độ hoạt động thực của động

cơ Trị số cực đại của ứng suất lắp ghép so với ứng suất cơ tạo bởi áp suất cháy trong

xy lanh và ứng suất nhiệt là tương đối nhỏ nên khi tính toán có thể bỏ qua giá trị này Ứng suất do lực quán tính của các khối lượng chuyển động

Nhóm ứng suất nhiệt có thể chia thành:

Ứng suất nhiệt tựa tĩnh, gây nên bởi độ chênh lệch nhiệt độ của nhiệt độ trung bình của chu trình công tác (bên trong lòng Xylanh) và nhiệt độ trung bình của chất lỏng làm mát Piston

Ứng suất nhiệt độ biến thiên, gây nên bởi sự thay đổi nhanh tải trọng bên ngoài động cơ Ứng suất nhiệt biến thiên theo sự biến thiên nhiệt độ có tính chất chu kỳ của môi chất công tác trong Xylanh

Trong các thành phần ứng suất được nêu trên, quan trọng và có ý nghĩa nhất là ứng suất nhiệt tựa tĩnh và ứng suất cơ gây nên bởi áp suất khí thể trong Xylanh

Như ta đã biết ứng suất nhiệt của Piston và Xylanh được tạo ra bởi nhiệt độ không đồng đều khi động cơ làm việc gây ra Để xác định được trường ứng suất này cần phải xác định được trường ứng suất nhiệt của Piston và Xylanh trong quá trình làm viêc Nhiệt độ của Piston, Xylanh biến thiên liên tục theo quá trình công tác là do quá trình truyền nhiệt giữa môi chất công tác với Piston – Xylanh Quá trình trao đổi nhiệt này diễn ra khá phức tạp với nhiều dạng trao đổi nhiệt khác nhau xảy ra cùng một lúc [10]

Có 3 dạng trao đổi nhiệt cơ bản:

Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt

Trao đổi nhiệt đối lưu (đối lưu tự nhiên, đối lưu cưỡng bức, đối lưu trong môi trường cùng một pha, đối lưu trong môi trường biến đổi pha,…)

Trao đổi nhiệt bức xạ

2.1.1 Trao đổi nhiệt dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động nhiệt của các phần tử chuyên môn Trong kim loại dẫn nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của các phần tử tự do Fourier đã giả thiết dòng nhiệt như dòng chất chảy không có trọng lượng và hình thành định luật như sau:

Dòng nhiệt tỉ lệ với gradient nhiệt độ và diện tích bề mặt đẳng nhiệt Trong đó: 𝜆: hệ số dẫn nhiệt

F: diện tích bề mặt đẳng nhiệt

𝜕𝑡/𝜕𝑛: gradient nhiệt độ

Dấu (-) biểu thị hướng dòng nhiệt từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp ngược với hướng gradient nhiệt độ

Trường nhiệt độ: là tổng hợp các giá trị của nhiệt độ tại các điểm khác nhau của

không gian khảo sát Nhiệt độ của các điểm khác nhau có giá trị khác nhau và tại các thời điểm khác nhau, nhiệt độ tại các điểm có giá trị khác nhau Vậy trường nhiệt độ phụ thuộc vào thời gian và không gian

- Trường nhiệt độ không ổn định:

- Trường nhiệt độ ổn định:

Gradient nhiệt độ: là sự thay đổi nhiệt độ trên một đơn vị chiều dài theo phương

pháp tuyến của bề mặt đẳng nhiệt, nó là một đại lượng vector, chiều theo chiều tăng nhiệt độ Trong đó:

⃗⃗⃗⃗ : vectơ đơn vị trên phương pháp tuyến

𝑖 , 𝑗 , 𝑘⃗ : là vectơ đơn vị trên các trục của hệ tọa độ

Mật độ dòng nhiệt và định luật Fourier: Lượng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích

trong một đơn vị thời gian gọi là mật độ dòng nhiệt và theo định luật Fourier thì mật

độ dòng nhiệt tỉ lệ thuận với gradient nhiệt độ

Hệ số dẫn nhiệt: (𝜆) [W/𝑚°𝐾] là lượng nhiệt dẫn qua một đơn vị bề mặt đẳng nhiệt trong một đơn vị thời gian khi mà gradient nhiệt độ bằng một đơn vị Hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật chất và nhiệt độ được xác định bằng thực nghiệm

2.1.2 Trao đổi nhiệt đối lưu

Trao đổi nhiệt đối lưu là một dạng cơ bản của truyền nhiệt được thực hiện bằng chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí Toả nhiệt đối lưu phụ thuộc vào bản chất vật

lý của chất lỏng: Không khí, các chất khí, nước, dầu Các chất lỏng khác nhau được thể hiện ở các tính chất vật lý khác nhau và có ảnh hưởng khác nhau tới toả nhiệt đối lưu Đó là các đại lượng: hệ số dẫn nhiệt 𝜆, nhiệt dung riêng Cp, mật độ 𝜌, hệ số nhớt

𝜇, hệ số nén đẳng nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, Các tính chất vật lý của các chất lỏng khác nhau có giá trị khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ Trong đó 𝜆, CP, 𝜌, 𝜇 là những đại lượng có vai trò quan trọng hơn cả

Theo nguyên nhân gây ra chuyển động của chất lỏng có thể chia thành:

- Đối lưu tự do: Đối lưu tự do là quá trình chuyển động của chất lỏng khi nhiệt độ giữa các vùng chất lỏng khác nhau làm mật độ của chúng khác nhau dẫn tới chuyển động

- Đối lưu cưỡng bức: Đối lưu cưỡng bức là quá trình chuyển động do các tác động

cơ học từ bên ngoài như dùng máy nén, quạt, máy khuấy Thực tế trong đối lưu cưỡng bức luôn có mặt đối lưu tự nhiên Nếu độ chênh nhiệt độ giữa bề mặt vật và chất lỏng nhỏ thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên, nếu độ chênh nhiệt độ lớn thì cần tính đến ảnh hưởng của đối lưu tự nhiên, vì chính độ chênh nhiệt độ sẽ tạo

ra chuyển động của chất lỏng do mật độ của chúng chênh lệch

Phương trình toả nhiệt cơ bản theo Newton lượng nhiệt toả ra trên một đơn vị diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian tỷ lệ với hệ số toả nhiệt:

trong đó: 𝛼 là hệ số toả nhiệt (W/𝑚2.°𝐶); (𝑡𝐿 − 𝑡𝑚) độ chênh nhiệt độ giữa chất lỏng và bề mặt vật rắn

2.1.3 Trao đổi nhiệt bức xạ

Bức xạ nhiệt là quá trình truyền nhiệt bằng sóng điện từ của vật thể Mọi vật chất được cấu tạo bởi các phần tử vi mô: phân tử, nguyên tử, các điện tử các phần tử vi

mô này luôn ở trạng thái chuyển động Khi các phần tử mang điện chuyển động tạo nên điện từ trường biến đổi và trở thành sóng điện từ lan truyền ra không gian với tốc

độ ánh sáng Sự lan truyền sóng điện từ được gọi là bức xạ điện từ Các bức xạ điện từ đập vào bề mặt vật thể khác, một phần năng lượng bị vật đó hấp thụ biến thành nhiệt Quá trình truyền năng lượng nhiệt bằng sóng điện từ đó gọi là trao đổi nhiệt bức xạ Quá trình trao đổi nhiệt bức xạ gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu là bức xạ sóng điện từ của vật thứ nhất ra không gian, giai đoạn sau là sóng điện từ gặp vật thứ hai bị hấp thụ biến thành nhiệt trên vật đó

Mọi vật luôn tồn tại nhiệt độ T > 0K, nên luôn phát ra bức xạ nhiệt và đồng thời cũng hấp thụ các tia bức xạ nhiệt từ các vật khác chiếu tới Vậy quá trình trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình hai chiều, nhưng ở vật có nhiệt độ cao năng lượng bị mất đi bởi bức

xạ ra sẽ lớn hơn năng lượng nhận được bởi hấp thụ Khi các vật có nhiệt độ bằng nhau, quá trình trao đổi nhiệt bức xạ giữa chúng vẫn xảy ra nhưng ở thế cân bằng động, tức

là ở mỗi vật có năng lượng bức xạ ra bằng năng lượng hấp thụ vào nên nhiệt độ của vật đó không thay đổi

Bức xạ nhiệt có bản chất là sóng điện từ nên nó có tính chất sóng và tính chất hạt như ánh sáng và quá truyền sóng không cần môi trường vật chất trung gian, đó cũng là điểm khác biệt của trao đổi nhiệt bức xạ so với trao đổi nhiệt đối lưu và dẫn nhiệt Các vật khác nhau bức xạ các sóng điện từ có bước sóng rất khác nhau Các bước sóng có thể từ 0 𝜇m đến vô cùng (1 𝜇m = 10−6m) gồm:

- Tia vũ trụ: 10−10 ÷ 10−7

2.2 Tính toán trường nhiệt độ của Piston

Tính trường nhiệt độ của các kết cấu có thể sử dụng các phương pháp sau đây: Các phương pháp phân tích chính xác và phân tích gần đúng, các phương pháp số, các phương pháp đồ thị, các phương pháp tương tự…Các phương pháp trên có thể được áp dụng một cách độc lập hoặc hợp thành các tổ hợp khác nhau Trong nội dung của đồ

án này, ta sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trường nhiệt độ của Piston – Xylanh

2.2.1 Phương trình vi phân truyền nhiệt

Thiết lập phương trình vi phân truyền nhiệt

Để xác định nhiệt độ trong vật thể cần phải thiết lập mối quan hệ của nhiệt độ với các toạ độ và thời gian Đó chính là phương trình vi phân dẫn nhiệt [10]

a Phương trình vi phân dẫn nhiệt đối với vật không có nguồn nhiệt trong

Xét một vật thể đồng chất, đẳng hướng, các thông số vật lý là hằng số và không có nguồn nhiệt bên trong Tách một phân tố hình hộp ra khỏi vật thể đặt trong toạ độ Oxyz Phân tố có kích thước dxdydz Khảo sát dẫn nhiệt qua phân tố theo các hướng x,

y, z sau thời gian d𝜏

Theo hướng x:

Lượng nhiệt vào phân tố qua mặt thứ nhất:

ở đây: c - nhiệt dung riêng, J/kgđộ, 𝜌 – mật độ, kg/𝑚3; 𝜕𝑡

𝜕𝑡 – đạo hàm nhiệt độ theo thời gian Do dQ = dU, nên rút ra: 𝜆 ∇2𝑡 𝑑𝑉 𝑑τ = c 𝜌 𝑑𝑉.𝜕𝑡

𝜕𝜏 𝑑𝜏 (2.15) Hay: 𝜕𝑡

Do dQ = dU, nên rút ra:

𝜕𝑡𝜕𝜏 = 𝜆𝑐𝜌∇2𝑡

𝜕𝑡𝜕𝜏=𝜆𝑐𝜌𝛻2𝑡 (2.17) Đặt a = λ

𝑐.𝜌 gọi là hệ số khuếch tán nhiệt độ, đặc trưng cho quán tính nhiệt của vật,

ta được: 𝜕𝑡

𝜕𝜏 = 𝑎 ∇2𝑡 Phương trình (2.14) gọi là phương trình vi phân dẫn nhiệt Fourier mô tả quan hệ của nhiệt độ tại các điểm theo thời gian khi trong vật không có nguồn sinh nhiệt Trong toạ

r - bán kính mặt trụ qua điểm khảo sát;

𝜑 - góc của bán kính r với trục x;

z - độ cao

Nếu trong quá trình dẫn nhiệt, nhiệt độ tại các điểm không đổi theo thời gian, tức là

𝜕𝑡𝜕r= 0, khi đó phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định sẽ là:

∇2𝑡 = 0

Hình 2 1: Hệ tọa độ trụ

b Phương trình vi phân dẫn nhiệt khi vật có nguồn trong

Trường hợp trong vật thể tồn tại nguồn sinh nhiệt phân bố đều có năng suất sinh nhiệt thể tích qv (W/𝑚3), thì nhiệt sinh ra trong phân tố sau thời gian δτ là:

Khi quá trình là ổn định tức nhiệt độ không thay đổi theo thời gian, phương trình vi phân dẫn nhiệt ổn định có nguồn trong sẽ trở thành:

Các phương pháp giải phương trình vi phân truyền nhiệt

Quá trình truyền nhiệt được phân ra các trường hợp: truyền nhiệt có nguồn trong, truyền nhiệt không có nguồn trong, truyền nhiệt ổn định và truyền nhiệt không ổn định

Truyền nhiệt ổn định không có nguồn trong: Là bài toán dẫn nhiệt đơn giản, trường

nhiệt độ không phụ thuộc vào thời gian, thường áp dụng cho các bài toán truyền nhiệt qua các vách

Truyền nhiệt không ổn định không có nguồn trong: Là bài toán thường gặp trong kỹ

thuật ví dụ trong quá trình đốt nóng và làm nguội các vật Trong các quá trình này nhiệt độ tại các điểm trong vật thay đổi theo thời gian, do đó bài toán truyền nhiệt không ổn định khó khăn hơn nhiều so với bài toán truyền nhiệt ổn định

2.2.2 Các giả thiết và điều kiện biên của bài toán tính toán trường nhiệt độ

Các giả thiết:

-Chỉ xét đến trao đổi nhiệt bức xạ thông qua phần bổ xung của hệ số tỏa nhiệt đối lưu Tại một thời điểm, nhiệt độ và áp suất của môi chất công tác là như nhau tại mọi vị trí trong không gian buồng cháy

- Coi quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với thành Xy lanh là quá trình tựa tĩnh

- Bỏ qua lực ma sát và nguồn nhiệt sinh ra do ma sát giữa pít tông và Xy lanh trong quá trình chuyển động Bỏ qua lượng nhiệt truyền từ pít tông vào thành ống lót Xy lanh

- Bỏ qua trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa nước làm mát với thành ngoài ống lót

xy lanh

*Các điều kiện biên của mô hình tính toán: [11]

- Điều kiện biên hình học: Coi ống lót Xy lanh động cơ 6Ч12/14 là chi tiết có tính đối xứng tròn xoay qua đường tâm xy lanh cả về mặt hình học, cả về tải trọng nhiệt cũng như tải trọng cơ Bỏ qua các góc lượn, góc vát và các rãnh của các đệm làm kín ở phía dưới ống lót

- Điều kiện biên thời gian: Trong nội dung của bài báo, việc tính toán trạng thái nhiệt, trạng thái ứng suất và biến dạng được khảo sát ở chế độ công suất định mức

𝑁𝑒đ𝑚 tương ứng với số vòng quay định mức 𝑛𝑁

- Điều kiện biên tiếp xúc: đối với bài toán xác định trường nhiệt độ của ống lót xy lanh động cơ 6Ч12/14 có thể sử dụng các điều kiện biên tiếp xúc loại 3 và loại 4 Điều kiện biên tiếp xúc loại 3 cho biết nhiệt độ môi trường chứa vật và quy luật trao đổi nhiệt giữa vật với môi trường Điều kiện biên tiếp xúc loại 4 biểu thị quan hệ trương

hỗ giữa vật dẫn nhiệt tiếp xúc với vật dẫn nhiệt khác

2.2.3 Cơ sở lý thuyết của bài toán phần tử hữu hạn trong bài toán trường nhiệt độ

Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn [12]

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích

Hệ phương trình vi phân theo phương pháp phần tử hữu hạn trong lý thuyết truyền nhiệt tĩnh

Khi giải bài toán đàn hồi nhiệt cần phân chia trường nhiệt độ, do vậy để giải bài toán đàn hồi nhiệt, cần phải giải bài toán lý thuyết dẫn nhiệt trước Nó được áp dụng

để giải phương trình vi phân cân bằng nhiệt ở các vùng của thể tích vật thể, khi ứng với các điều kiện biên ở các mặt ranh giới, điều kiện biên có các dạng [13]:

Phần bề mặt giới hạn CT khi cho trước nhiệt độ

Phần bề mặt giới hạn Cq khi cho trước mật độ dòng nhiệt q

Phần bề mặt giới hạn Ch khi có sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài

Với trường hợp 3 chiều, bài toán biên của lý thuyết dẫn nhiệt được mô tả bằng phương trình sau:

Q: Nguồn nhiệt lượng

h: Hệ số tỏa nhiệt ở bề mặt giới hạn Ch

𝑇∞: Nhiệt độ trên bề mặt

q: Dòng nhiệt qua bề mặt giới hạn Cq

R: Nguồn nhiệt bên trong hay nhiệt lượng nhận được tỉ lệ với nhiệt độ

λX, λY, λZ: Các hệ số dẫn nhiệt theo các hướng

nX,nY,nZ: Các cosin chỉ phương của pháp tuyến ngoài tới mặt phẳng

Nội dung cơ bản, trình tự giải bài toán nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn bắt đầu được hình thành từ nhu cầu giải các bài toán phân tích kết cấu trong lý thuyết đàn hồi trong kỹ thuật công trình và kỹ thuật hàng không Những người đầu tiên đưa ra phương pháp này là Alexander Hrennikoff (1941)

và Richard Courant (1942) Từ cuối năm 1950 các tác giả đã nghiên cứu và dần phát triển hoàn chỉnh phương pháp PTHH Năm 1959 Greestadt sử dụng nguyên lý biến phân để xác định hàm xấp xỉ trong từng phần tử, và xây dựng các nội dung cơ bản của phương pháp và sau này trở thành lý thuyết toán học của phương pháp PTHH

Các nhà vật lý cũng đã phát triển phương pháp PTHH để áp dụng trong các bài toán vật lý, kỹ thuật như Prager, Synge Besselinh, Melosh, Fraeijs de Veubeke và Jones đã coi phương pháp PTHH là một dạng của phương pháp Ritz, và là một phương pháp tổng quát nhất để nghiên cứu các bài toán đàn hồi Họ đã áp dụng cho các bài toán biến phân trong cơ học chất rắn và đã đạt được kết quả khá chính xác

*Việc giải bài toán liên tục bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) luôn được thực hiện theo một trình tự gồm các bước sau:

Bước 1: Rời rạc hóa bài toán, chọn phần tử hữu hạn

Miền nghiệm của bài toán, tức vật thể, được chia thành các phần tử có kích thước nhỏ gọi là các phần tử hữu hạn sao cho không có kẽ hở cũng như sự chồng lên nhau giữa các phần tử để bảo đảm tính liên tục của bài toán Kết quả tạo nên một mạng các phần tử hữu hạn

Tùy thuộc tính chất của bài toán mà chọn phần tử có hình dạng khác nhau:

- Với bài toán một chiều, các phần tử được chọn là các đoạn thẳng

- Với bài toán hai chiều, các phần tử được chọn là các hình phẳng như tam giác, tứ giác, hình chữ nhật…

- Với bài toán ba chiều, phần tử được chọn là các hình khối, như khối tứ diện, lập phương, hình hộp, lăng trụ…

Mỗi loại phần tử có thể chọn là bậc nhất, bậc hai hoặc bậc ba…tùy theo nhiệt độ phụ thuộc vào toạ độ là hàm bậc mấy Đặc biệt là trong một loại bài toán có thể dùng các phần tử có dạng khác nhau Giữa các phần tử ngăn cách nhau bởi biên giới là các nút, đoạn thẳng, hay bề mặt

Hình 2 2: Các dạng phần tử hữu hạn Tuỳ thuộc loại phần tử mà mỗi phần tử có hai hay nhiều nút

Sau khi rời rạc, nhiệt độ cần phải tìm trong miền liên tục của vật thể được xấp xỉ tại các nút của các phần tử

Bước 2: Chọn hàm nội suy

Mối quan hệ giữa nhiệt độ T bên trong phần tử với giá trị nhiệt độ tại các nút Tiđược gọi là hàm nội suy Ni (hay hàm hình dạng)

𝑇 = 𝑁1𝑇1 + 𝑁2𝑇2+ ⋯ + 𝑁𝑘𝑇𝑘 = ∑𝑘𝑖=1𝑁𝑖𝑇𝑖 (2.27)

Trong đó:

1, 2, i…, k là các chỉ số thứ tự các nút trong một phần tử

N1, N2 …Nk là hàm nội suy tại các nút 1, 2…k, và [N] là ma trận hàm nội suy, T là nhiệt độ tại điểm bất kỳ trong phần tử

T1, T2, Tk tương ứng là nhiệt độ cần tìm tại các nút 1, 2…k, và [T] là véc tơ nhiệt

độ cần tìm

Các hàm nội suy N thường được chọn là các đa thức đại số vì có thể dễ dàng tính đạo hàm và tích phân chúng trong mỗi phần tử Bậc của đa thức được chọn phụ thuộc vào số các điểm nút của phần tử, đặc điểm và số lượng các ẩn của một nút cũng như yêu cầu liên tục cần có trên biên của phần tử

Bước 3: Thiết lập phương trình đặc trưng của phần tử

Phương trình đặc trưng của phần tử biểu thị đặc tính cá thể của các phần tử riêng lẻ,

đó là mối quan hệ giữa nhiệt độ chưa biết tại các nút với các phụ tải nhiệt

Để thiết lập phương trình đặc trưng của phần tử, cần thực hiện xấp xỉ hàm cần tìm

là nhiệt độ với một số lượng hữu hạn các biến số tại các nút, hình thành một phương trình ma trận của phần tử ở dạng: [K]e{T}e = {f}e

Ở đây: e là chỉ số biểu thị cho phần tử

{T}e là nhiệt độ phải tìm tại các nút

[K]e là ma trận các hệ số của nhiệt độ, được gọi là ma trận độ cứng của phần tử

Bước 4: Lắp ghép các phương trình phần tử để nhận được phương trình tương thích

cả các nút của tất cả các phần tử {T}e dạng ma trận (2.26) ở trên thành hệ (n phần tử) cũng dưới dạng: [K]{T}={f}

[K] là ma trận các hệ số của cả hệ

{T} là véctơ ẩn của cả hệ

{f} là tải nhiệt tại các nút của cả hệ

Phương trình cho cả hệ (2.27) cũng giống phương trình cho một phần tử chỉ khác là

nó có kích thước lớn hơn nhiều

Bước 5: Giải hệ phương trình (2.27)

Hệ phương trình trên được giải bằng các phương pháp chuẩn như: Lặp, khử, Gauss,

ma trận nghịch đảo tương tự như giải hệ phương trình trong phương pháp SPHH

Bước 6: Tính các đại lượng thứ cấp