STIMA DI MASSIMA DEI LIMITI STRUTTURALI DI PARTI DI MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA PER L AERONAUTICA

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1 STIMA DI MASSIMA DEI LIMITI STRUTTURALI DI PARTI DI MOTORI DIESEL AD INIEZIONE DIRETTA PER L AERONAUTICA Relatore: Prof. Ing. L. Piancastelli Correlatori: Prof. Ing. A. Liverani Prof. Ing. F. Persiani Dott. Ing. R. Borsari Dott. Ing. F.Luppino Bertoni Candidato: Bernardi Luca Università degli studi di Bologna - A.A. 2001/ marzo 2003

2 OGGETTO DELLO STUDIO LIMITI E PROGETTO DI MIGLIORAMENTO PISTONE DI UN MOTORE DIESEL COMMON RAIL DESTINATO ALL IMPIEGO AERONAUTICO

3 OBIETTIVI PERSEGUITI NELLO STUDIO Verifica di resistenza statica del pistone basata sui carichi sperimentali rilevati dal CRF Stima del limite di carico del componente mediante il confronto di due tipi di analisi condotte con metodologie diverse e software diversi: Design Space per l analisi l lineare CON METODO INNOVATIVO e ANSYS 6.1 per l analisi l non lineare comparativa Elaborazione di una soluzione tecnica che permetta l applicazione di carichi più alti

4 CARATTERISTICHE DELL ANALISI Analisi strutturale: STATICA TRIDIMENSIONALE Pistone al P.M.S sollecitato dalla spinta dei gas Pistone in lega Alluminio-Silicio A 390 T5 TERMICA NEL CAMPO NON-LINEARE Diagramma modulo elastico/resistenza/velocità di applicazione del carico-temperatura del materiale

5 FLUSSO DI LAVORO Costruzione del modello con Solid Edge v. 12 Analisi lineare con Design Space Analisi non lineare con ANSYS comparativa Calcolo con il pistone ricoperto con TBC

6 ANALISI LINEARE Importazione del modello in Design Space Discretizzazione del componente Applicazione di carichi e vincoli Definizione di proprietà del materiale in funzione di temperatura e velocità di applicazione del carico Assegnazione di tali proprietà a diverse aree del pistone Calcolo

7 ANALISI NON LINEARE Importazione del modello in ANSYS Discretizzazione del modello Ottenimento del campo termico mediante l applicazione del campo di temperature (fornitomi dal CRF) Applicazione di carichi e vincoli Calcolo

8 CALCOLO CON RIVESTIMENTO PROTETTIVO CONFRONTO E VALUTAZIONE DEI RISULTATI RAGGIUNTI

9 DEFINIZIONE DEL CARICO Carico strutturale : il CRF mi ha fornito solo il valore di pressione in camera (160 bar) così ho imposto sul resto del cielo 140 bar Pressione = 160 bar Pressione = 140 bar

10 IMPOSIZIONE DEI VINCOLI Vincolo cilindrico nell alloggiamento dello spinotto Vincolo radiale con l anello che guida il pistone nel cilindro Vincolo di simmetria

11 300 Diagramma Tensione-Temperatura Temperatura lega A390 T5 (carico statico) 250 Tensione di snervamento (MPa) SNERV Temperatura (deg C)

12 Diagramma Modulo di Elasticità - temperatura lega A390 T5 (carico statico) Serie T emp erat ura ( d eg C )

13 300 Diagramma tensione di snervamento in funzione della temperatura tenuto conto della velocità di applicazione del carico lega A390 T5 (carico statico) 250 TENS. DI SNERV Dispers. (XY) TEMPERATURA

14 80 Diagramma Modulo di Elasticità in funzione della temperatura tenuto conto della velocità di applicazione del carico lega A390 T5 (carico statico) 70 Modulo di elasticità (GPa) Dispers. (XY) Temperatura (deg C)

15 Calcolo in Design Space Il metodo innovativo impiegato consiste nella suddivisione del pistone in più zone A temperatura costante incollate tra di loro con vincoli di congruenza (spostamenti e rotazioni ai nodi). Questo permette l impiego di un solutore lineare. Suddivisione delle zone e definizione delle caratteristiche in funzione della temperatura rilevata sulla specifica zona e in funzione della velocità di applicazione del carico

16 RISULTATI CALCOLO DESIGN SPACE tempo di calcolo (1.25 h x nodi) Carico: 160 bar in camera, 140 sul resto del cielo Risultato: Coefficiente di sicurezza sempre maggiore o uguale a due

17 DEFINIZIONE DEL CARICO per l analisi non lineare con ANSYS Campo di temperature

18 Carico: 160 bar in camera e 140 sul resto del cielo RISULTATI ANALISI Non Lineare con ANSYS (10,1 h con nodi) Risultato: Tensione massima rilevata 77,778 MPa valore che conferma il coefficiente di sicurezza minimo in quel punto

19 IL METODO INNOVATIVO LINEARE è CONSERVATIVO

20 RAGGIUNGIMENTO DEL LIMITE CON IL CALCOLO LINEARE Carico: 180 bar (erano 160) in camera e 160 (erano 140) sul resto del cielo RISULTATO Limite strutturale raggiunto

21 CONSIDERAZIONI Limite del componente strutturale raggiunta con un carico pari a 180 bar in camera Principale fattore che blocca il carico applicabile è il materiale e la sua resistenza termica a temperature elevate APPLICAZIONE DI UN RIVESTIMENTO CHE MIGLIORI LE PROPRIETA DEL MATERIALE ALLE ALTE TEMPERATURE SOSTITUZIONE DEL MATERIALE IMPIEGATO ATTUALMENTE

22 SCELTA EFFETTUATA:THERMAL BARRIER COATING E un deposito di materiale ceramico, o comunque di altro materiale fissato al componente con tecnologia plasma spray con caratteristiche simili che offre resistenza alla propagazione del calore agendo su due fronti: Abbassa il coefficiente di scambio termico complessivo Riflette parte del flusso di calore diminuendo lo scambio per irraggiamento SI ABBASSA LA TEMPERATURA SULLA SUPERFICIE DEL PISTONE

23 CALCOLO DEL NUOVO CAMPO DI TEMPERATURE Con le leggi dell irraggiamento e della conduzione, considerando una fonte di calore a 1800 C C posta sopra la camera e, considerato 0,007 lo spessore del ricoprimento,, ho trovato che la temperatura massima sul cielo del pistone passa da 497 a 475 C

24 CALCOLO CON LA NUOVA DISTIBUZIONE DI TEMPERATURE Calcolo alla pressione di 160 bar con il rivestimento Calcolo alla pressione di 160 bar senza il rivestimento

25 SVILUPPI FUTURI L utilizzo del rivestimento porta indiscutibilmente a vantaggi sotto il profilo del miglioramento delle caratteristiche del materiale Ottimizzando lo spessore e il tipo si può raggiungere l obiettivo dei 200 bar in camera senza avere fessurazioni durante l esercizio

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