Dizel motor pistonunun sonlu elamanlar yöntemi ile yapısal ve termal analizi
Finite element analysis of diesel engine pistons in terms of structural and thermal
Yazar: UMUT CANVAR
Danışman: PROF. DR. HİKMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Piston içten yanmalı motorlarda en önemli parçalardan biridir. Her geçen gün değişen teknoloji ile birlik motor teknolojisinde önemli değişiklikler olmuştur. Düşük hacimli ama yüksek devir ve tork değerlerinde çalışan motorların gelişmesiyle birlikta üksek çalışma sıcaklıkları ortaya çıkmştır. Sıcaklığın fazla olduğu çalışma koşullarına ugun malzemelerin kullanılmasıyla motor parçalarının da dayanımı arttırılmıştır. Motora ait bütün parçalar içinde en çok gerilmeye maruz kalan parça; en yüksek gaz ve ısıl yüklerin meydana geldiği pistondur. Yüksek sıcaklıklarda oluşan termal gerilmeler başta kafa bölgesinde olmak üzere çatlaklar oluşmasına sebebiyet vermektedir. Ayrıca, yanma sonunda oluşan basınc kuvvetinin yüksek devirlerde atalet kuvvetinin de etkisiyle piston pin bölgesindeki gerilmelerin artmasına neden olur.Çalışma, genel olarak pistonun yapısal ve termal açıdan gerilmelerin incelenmesi ve bu gerilmelere bağlı olarakda kritik bölgelerdeki ortalama gerilmenin etkilerini inceleyerek yorulma analizlerinin gerçekleştirilmesi olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. İlk kısımda öncelikle CFD analizleri ve AVL FIRE programları kullanılarak, pistonun üst kısmındaki yanma odasını oluşturan çukur geometrisinde sıkıştırma oranı sabit olucak şekilde dayanım açısından bazı noktalar göz önünde bulundurularak 4 faklı geometri oluşturulmuştur. Sonrasında yanma karakteristiği açısından geometriler piston katı modeline aktarılmıştır. Motor özelliklerine bağlı olarak gerekli parametreler kullanılıp herbir piston modeli için yüzey sıcaklıkları elde edilmiştir. Yanma karakteristiği ve yüzey sıcaklığı dağılımı açısından en uygun geomtri belirlenerek pistonun çalışma koşulları dikkate alınarak sonlu elemanlar modeli kurulup termal analiz yapılmıştır. Sonlu elamanlar analizinin diğer bir adımında değişik devirlerdeki yanma basıncına bağlı olarak oluşan gerilmeler incelenmiştir.Çalışmanın ikinci kısımında ise amaç, gerilme ömür metodundan faydalanarak piston için yorulma ömrünü tesbit etmek, ömür açısından kritik bölgeleri belirlemek ve ortalama gerilmenin etkilerini ortaya çıkarmaktır. Bu kısımda yorulma için sonlu elemanlar programı kullanılarak yapısal ve termal analiz için sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Sonrasında S-N yaklaşımı ile sonlu elemanlar modeli yorulma için tekrar kullanılmıştır. Son olarakda yapısal ve termal analiz sonucu elde edilen gerilme-gerinim değerleri yorulma analizinde veri olarak kullanılmıştır. Ortalama gerilme değeri de bu verilerden elde edilmiştir.Yorulma analizi sonucunda dikkat edilmesi gereken bir sorun olmamakla beraber herhangi bir hasar oluşumu olmadığı görülmüştür. Ancak yağ galerisinin giriş kanalının piston iç kısmındaki giriş tarafındaki bölge ve bu kanalın yağ galerisine açılan bölgedeki güvenlik faktörü değeri güvenli limit olarak kabul edilen 1.00(x108) değerinin altında olduğu görülmüştür.

Abstract:
This work presents a three-dimensional finite element full analysis, which describes the thermomechanical behaviour of a direct injection diesel engine piston. The piston moving in a complex environment is exposed to severa interactions during engin operation. The thermomechanical model takes into account the most important load. The piston is subjected to the coupled action of the thermal loads due to the trasnfer of heat from the head to the body and the mechanical load represented by the combustion pressure and the internal load due to the important change of direction of the piston in the cylinder bore.The response of the simulated model by critical loads makes it possible to know and to analyse the operating temperatures, the corresponding thermal expansion and the thermomechanical deformations and stresses.The study consists of two parts those which are related to investigate the structural and thermal stress, then predict fatigue life of piston by using these stresses, to identify the critical locations, to investigate the effect of mean stress. On the first part, the piston bowl geometry is optimized to select a significant chamber shape giving the best compromise of the selected fitness functions by using CFD analysis and AVL FIRE program. Afterwards the best four bowl shapes having influential combustion charesteristic are specified, these are transfered to 3D piston geometry. Depending on engine specifications, necessary parameters are used to obtain surface temperature for each piston geometry. Then thermal analysis is carried out with these temperatures in FEM by considering some engine conditions. As a another step of FEA stresses are investigated due to combustion pressure in different engine speeds.On the second part, the objective of the second part is to predict fatigue life of piston by using stress-life method, to identify the critical locations, to investigate the effect of mean stress. The structural and finite element modelling is performed by using a finite element analysis software package for fatigue. The finite element model of component is then analyzed by using the S-N approach. Finally, the stress-strain state of component obtained previously is used as input for the fatigue life. The effected mean stress is also investigated. Life of piston needs to be improved to prevent from any unpleasant problems. The result of the analysis show that there are no serious failure occurs at the part of the piston.As a result of fatigue analysis, although not a problem to be considered was whether the formation of any damage has not proved. However, for the entry side of the oil gallery of the input channel on the inside of the piston and oil gallery opened in the region of the channel the values of safety factor, which is considered a safe limit of 1.00 (x108) were underestimated.