تجزیه و تحلیل تنش‌های مکانیکی یک بوش سیلندر معمولی با بوش سیلندر روکش شده با پوشش سرامیکی با استفاده از تحلیل المان محدود FEA

بوش‌ سیلندر یکی از اجزء ضروری موتور خودرو می‌باشد و عملکرد آنها تأثیر مستقیمی بر بازده موتور دارد. نقش اصلی بوش سیلندر فراهم کردن یک سطح لغزنده برای حرکت رفت و برگشتی پیستون داخل سیلندر می‌باشد که دارای خصوصیاتی برای جلوگیری از سایش پیستون و رینگ‌های پیستون و حفظ فشار و دمای بالا باشد. از طرفی قرار گرفتن مداوم در معرض تنش حرارتی بالا، تنش مکانیکی و اصطکاک در داخل محفظه احتراق، ممکن است باعث خرابی و کوتاه شدن عمر بوش سیلندر شود. از این رو واحد تحقیق و توسعه گروه فنی و مهندسی سارکو به عنوان تولید کننده انواع بوش سیلندر اقداماتی را برای بهبود و افزایش کارایی این قطعه در موتور در دستور کار خود قرار داده است.

امروزه، در راستای بهبود کارایی موتور اقدام به ایجاد تغییراتی در ساختار‌ اجزای موتور به منظور ایجاد بهبود عملکرد آن، صورت گرفته است. در این راستا، در جهت افزایش کارایی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

1.  با پیشرفت تکنولوژی استفاده از TBC (پوشش سرامیکی) موتورهای احتراق داخلی به سرعت در حال افزایش است.
2.  هرچه سرعت تبدیل انرژی سوخت به انرژی مکانیکی بیشتر باشد در نتیجه موتور عملکرد بهتری دارد. لذا حدکثر نرخ تبدیل انرژی سوخت به انرژِی مکانیکی مورد نیاز است.
3. TBC پوششی از مواد سرامیکی با رسانایی حرارتی کم است که وقتی روی محفظه احتراق یک موتور احتراق داخلی اعمال می‌شود، باعث تحمل دما و فشار بالاتر در داخل سیلندر می‌شود. در نتیجه، بازده موتور افزایش می‌یابد.

واحد تحقیق و توسعه گروه فنی مهندسی سارکو به عنوان یکی از بزرگترین تولید کننده بوش سیلندر علاوه بر اقدامات آزمایشگاهی و تست های مکانیکی بر روی انواع  بوش‌های تولیدی خود اقدام به مطالعه و بررسی مقاله‌های روز دنیا می‌نماید تا دانش فنی خود را همواره بروز نگه دارد. در این تحقیق سعی شده تنش‌های ایجاد شده داخل سیلندر ماشین با دو نوع بوش، یک نوع بوش چدنی معمولی و دیگری بوش چدن معمولی روکش شده با مواد سرامیکی با هم مقایسه و با استخراج نتایج آن، بوش با کارایی بالاتر انتخاب گردد.

در این راستا با استناد به مقاله زیر به تفصیل به شرح و روش کار این بررسی بر اساس مقاله زیر می‌پردازیم.

Mechanical stresses analysis of a partially ceramic coated cylinder liners using finite element analysis

هدف اصلی این مطالعه بررسی تنش‌های ناشی از فشار گاز، نیروی رانش اصلی پیستون و فشار های حرارتی در بوش سیلندر یک موتور دیزلی کیرلوکار واقعی است. در این مطالعه دو نوع بوش زیر در نرم افزار ANSYS  مورد مطالعه قرار گرفته است:

1. بوش چدنی معمولی
2. بوش چدنی پوشش دهی شده با مواد خاص

• مواد و خواص بوش سیلندرهای مورد بررسی

به طور کلی،  بوش چدنی در موتورهای دیزلی معمولی استفاده می‌شود. اما در موتورهای عایق شده، پوشش سرامیکی مبتنی بر زیرکونیا به دلیل رسانایی حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی نسبی آنها به عنوان پوشش عایق حرارتی استفاده می‌شود که تنش‌های سطحی مضر را کاهش می‌دهد.

      در این مقاله، از چدن به عنوان ماده اصلی در هر دو  نوع  بوش به طور یکسان  استفاده شده است، از NiCrAl به عنوان ماده‌ای جهت پیوند ما‌بین لایه پوششی و  بوش سیلندر و از CaZrO3 جهت پوشش‌دهی نهایی (پوشش سرامیکی) بوش سیلندر استفاده شده است. ضخامت ماده پیوند ‌دهنده  NiCrAl  برابر150 میکرون و ضخامت ماده پوشش دهنده CaZrO3 برابر 350 میکرون می‌باشد.

در سراسر این تحلیل در مقاله ذکر شده با استفاده از روش FEA خواص مواد طبق جدول 1 استفاده شده است:

موتور دیزلی که در آن بوش سیلندر استفاده شده است، موتور تک سیلندر دیزلی Kirloakr با سیستم آب خنک با نسبت تراکم 16.5:1، حداکثر فشار در محدوده بوش 54 بار و دور موتور 1500 دور در دقیقه می‌باشد.

 ابعاد بوش سیلندر مورد بررسی: قطر داخلی بوش 80 میلیمتر، قطر خارجی بوش 110 و طول بوش 230 میلیمتر می‌باشد.

• شرایط مرزی

روش FEA، یک روش عددی و محاسباتی برای تحلیل های مهندسی می‌باشد. این رویکرد از روش‌های تولید مش برای تقسیم‌بندی یک مسئله پیچیده به المان‌های کوچک استفاده می‌کند.  لذا در این مقاله با استفاده از تعیین شرایط مرزی اقدام به ساده سازی مدل جهت فراهم سازی امکان تحلیل شده است. در ادامه با توضیح مش بندی به اجرای روش FEA با کمک نرم افزار ANSYS  پرداخته می‌شود.

در این مقاله با تعیین شرایط مرزی معقول با بارگذاری مکانیکی برای محاسبه FEA بوش موتور دیزل ارائه شده است. بنابراین برای شرایط مرزی باید تغییرات تنش های شعاعی، تنش های طولی و تنش های حلقه ای محاسبه شود. برای محاسبه این شرایط مرزی از فرمول های تجربی و نیمه تجربی استفاده شده است. بوش سیلندر موتور تحت فشار گاز و رانش پیستون قرار می‌گیرد که تنش طولی و محیطی را ایجاد می‌کند.

• روش کار و تحقیق

رفتار مکانیکی بوش سیلندر معمولی و بوش سیلندر با پوشش سرامیکی با استفاده از مدل تحلیل المان محدود ارزیابی شده است. معادله حاکم برای مدل ارائه شده در این مقاله، برای شرایط مرزی داده شده با استفاده از نرم افزار ANSYS حل شده است. بوش سیلندر با روکش سرامیکی دارای فلز پایه، پوشش باند و روکش بالایی است. سیستم پوشش حرارتی دارای پوشش رویی CaZrO3 با ضخامت 0.35 میلی متر و پوشش پیوند NiCrAl با ضخامت 0.15 میلی متر است. این مدل، برای هر لایه از سیستم پوشش عایق حرارتی و ارتباط آنها با دما به صورت خطی استفاده می‌نماید. در این تحقیق از آنالیز مقاومت الکتریکی برای به دست آوردن نتایج پوشش عایق حرارتی استفاده شده است. تحلیل و نتایج معادله‌های در نظر گرفته شده، تنش‌ها و کرنش‌ها و تغییر شکل را برای هر دو مدل بوش سیلندر معمولی و روکش‌شده سرامیکی نشان می‌دهد.

مراحل اساسی برای حل هر مسئله درنرم افزار ANSYS

1. ساخت مدل
2. اعمال شرایط مرزی
3. مش بندی
4. تحلیل تنش – کرنش و تغییر شکل
5. بررسی نتایج

• توضیحات مدل

با استفاده از نقشه‌های دو بعدی، مدل هندسی بوش موتور دیزل بدون روکش و با روکش بر اساس ابعاد موتور Kirloskar ترسیم شده است. مدل سه بعدی هر دو بوش سیلندر بدون روکش و با روکش در نرم افزار Solid Works مدل سازی شده است. بوش سیلندر معمولی (بدون روکش) در طراحی قطعه به عنوان یک قطعه مدل شده است، اما برای بوش پوشش داده شده با استفاده از سه مدل اقدام به مدلسازی شده است. در مدلسازی اول بوش اصلی، در مدلسازی دوم  پوشش مابین بوش و روکش و در مدلسازی سوم پوشش نهایی(سرامیکی) طراحی شده است. پس از طراحی تمامی مدلسازی‌ها اقدام به مونتاژ طراحی نهایی می‌گردد. در اینجا ضخامت پوشش باند و پوشش سرامیکی به ترتیب 0.15 میلی متر و 0.35 میلی متر در نظر گرفته شده است.

• مش بندی

برای این تحلیل، مش انتخاب شده چهار ضلعی می‌باشد. پارامترهای اندازه گیری بر اساس لایه پوشش باند (لایه میانی) انتخاب می‌شوند، زیرا این لایه کمترین ضخامت را دارد. دو  معیار “مرکزیت” و “صافی” مش هر دو به خوبی تنظیم شده‌اند. مقیاس ضخامت TGO برابر 0.0001 متر است و حداقل لبه هر عنصر یک مرتبه کوچکتر یعنی 0.00001 متر تنظیم شده است. حداکثر لبه عنصر در 0.00001 متر با نرخ پیشروی پیش فرض 20٪ تنظیم شده است. نتایج در مجموع 8000 گره و 6000 عنصر بوده است. تعداد عناصر به عنوان پارامتری تنظیم شده است تا مطالعات وابسته به مش را بتوان روی نتایج تعمیم داد. «ارتباط» مش نیز بین 100-  تا 100 به عنوان بخشی از مطالعات مستقل مش تنظیم شده است. به طوری که بهترین نتایج برای ارتباط در این مدل 0  می‌باشد.

• بررسی نتایج

نتایج حاصل از این مدلسازی برای بوش معمولی و بوش روکش شده از جهت توزیع تنش معادل الاستیک (Von-Miss) و تنش نرمال، توزیع کرنش الاستیک معادل (equivalent elastic strain) و کرنش نرمال و تغییر شکل در بوش با نمودارهای آن مورد بررسی قرار گرفت که به شرح زیر می‌باشد:

• بوش معمولی

در مدل بوش معمولی توزیع تنش معادل (Von-Miss) و تنش نرمال (محور ×) با نمودارهای آن در شکل 1 و شکل 2 نشان داده شده است. همان‌طور که در شکل1 نشان داده شده است، تنش کلی معادل (Von-Miss) بوش سیلندر بین 351.42  پاسگال  و10⁶×1.3701 پاسگال می‌باشد. بیشترین تنش معادل (Von-Miss) بوش سیلندر 10⁶× 1.3701 پاسگال در بالای دیواره داخلی سیلندر به وجود آمده است. از این رو حداکثر تنش در قسمت بالای بوش سیلندر قرار دارد زیرا در بالای بوش سیلندر، پیستون مستقیماً با گازهای حاصل از تراکم که دمای خیلی بالایی دارد در تماس می‌باشد. همان‌طور که در شکل 1 مشخص است حداقل تنش بوش سیلندر 351.42 پاسگال می‌باشد که در انتهای پایین بوش سیلندر که در شکل 1 نشان داده شده است قرار دارد. آب به عنوان مایع خنک‌کاری در سطح بیرونی بوش برای خنک کردن بوش تا دمای دلخواه وجود دارد. خنک‌سازی توسط آب برای جلوگیری از تنش حرارتی که در دمای بالا به وجود می‌آید صورت می‌گیرد.

در بوش سیلندر معمولی توزیع کرنش الاستیک معادل (equivalent elastic strain) و کرنش الاستیک معمولی (محور ×) توسط نمودارهای آن شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است. شکل 3 توزیع کرنش الاستیک معادل را از طریق بوش معمولی سیلندر نشان می‌دهد. کرنش الاستیک معادل به دست آمده در بالای دیواره داخلی بوش سیلندر ^5-10 ×1.2457 می‌باشد که حداکثر کرنش الاستیک معادل بوش سیلندر است و توزیع کرنش الاستیک معادل در پایین قسمت داخلی بوش سیلندر ^9-10×6.2996 که در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، کشش معادل کلی دیواره داخلی بوش سیلندر به تدریج از بالا به پایین کاهش می‌یابد. شکل 4  توزیع کرنش الاستیک معادل نرمال (محور ×) را از طریق بوش سیلندر معمولی نشان می‌دهد.

در شکل 4، رنگ قرمز حداکثر کرنش الاستیک ناشی از فشار و رنگ آبی حداقل کرنش الاستیک (به دلیل فشار) بوش سیلندر را نشان می‌دهد. توزیع کرنش الاستیک نرمال در بالای دیواره داخلی بوش سیلندر ^5-10 ×1.0464 است که حداکثر کرنش الاستیک بوش سیلندر است. و توزیع کرنش الاستیک نرمال در پایین قسمت داخلی بوش سیلندر^6-10 ×5.1489 – می‌باشد که در شکل 4 نشان داده شده است. بنابراین کرنش الاستیک نرمال کلی دیواره داخلی بوش سیلندر به تدریج از بالا به پایین کاهش می‌یابد.

تغییر شکل در بوش سیلندر معمولی با نمودار آن در شکل 5 نشان داده شده است. این شکل توزیع کل تغییر شکل بوش سیلندر معمولی را نشان می‌دهد. در اینجا در شکل 5 رنگ قرمز حداکثر تغییر شکل کلی (در اثر فشار) و رنگ آبی حداقل تغییر شکل کلی (در اثر فشار) بوش سیلندر نشان می‌دهد. توزیع کل تغییر شکل در بالای دیواره داخلی بوش^7-10 ×4.2354  متر است که حداکثر تغییر شکل کل بوش سیلندر است. و توزیع کل تغییر شکل در پایین داخلی بوش سیلندر 0 متر است. بنابراین توزیع کلی تغییر شکل دیواره داخلی سیلندر به تدریج از بالا به پایین بوش کاهش می‌یابد.

• بوش پوشش داده شده

تنش معادل الاستیک (Von-Miss) و تنش نرمال (محور ×) مدل بوش پوشش داده شده سرامیکی با نمودارهای آن در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است. توزیع تنش معادل (Von-Miss) از بوش پوشش داده شده سرامیکی در شکل 6 نشان داده شده است. در شکل 7 نمودار توزیع تنش معادل (Von-Miss) یک مدل خط معمولی است. در شکل 7 رنگ قرمز حداکثر تنش معادل و رنگ آبی حداقل تنش معادل در بوش پوشش‌دار شده را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است توزیع تنش بوش سیلندر با روکش سرامیکی (Von-Miss) بین 10⁶×1.5354 پاسگال  و 40.808 پاسگال است. بالاترین تنش معادل (Von-Miss) بوش سیلندر 10⁶×1.5354 پاسگال در بالای دیواره داخلی سیلندر قرار دارد. از این رو حداکثر تنش معادل (Von-Miss) فشار ناشی از بالای سیلندر قرار دارد زیرا خط سیلندر بالای پیستون مستقیماً در معرض گاز فشار قوی قرار دارد، زمانی که پیستون به بالاترین موقعیت خود در سیلندر می‌رسد. حداقل تنش معادل (Von-Miss) بوش سیلندر 40.808 پاسگال است که در سطح بیرونی بوش سیلندر می‌باشد (شکل 7). آب به عنوان مایع خنک‌کننده در سطح بیرونی بوش وجود دارد تا بوش تا دمای دلخواه خنک شود. خنک‌سازی به وسیله آب برای کاهش تنش حرارتی که در دمای بالا به وجود می‌آید انجام می‌شود.

توزیع کرنش الاستیک معادل و توزیع کرنش الاستیک معمولی (محور ×) مدل بوش پوشش‌داده شده سرامیکی توسط نمودارهای آن در شکل 8 و شکل 9 نشان داده شده است. شکل 8 توزیع کرنش الاستیک معادل را از طریق پوشش سرامیکی نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است توزیع کرنش الاستیک در بالای دیواره داخلی بوش سیلندر ^5-10 ×1.396  می‌باشد و این مقدار حداکثر کرنش الاستیک معادل بوش سیلندر است. توزیع کرنش الاستیک در پایین قسمت داخلی استوانه   ^9-10 ×1.9237  است. بنابراین کرنش الاستیک دیواره داخلی بوش سیلندر به تدریج از بالا به پایین بوش کاهش می‌یابد.

شکل 9 توزیع کرنش الاستیک نرمال (محور ×) را از طریق پوشش سرامیکی سیلندر نشان می‌دهد.

در شکل 9 رنگ قرمز حداکثر کرنش الاستیک (به دلیل فشار) و رنگ آبی حداقل کرنش الاستیک (به دلیل فشار) را از طریق بوش سیلندر نشان می‌دهد. توزیع کرنش الاستیک نرمال در بالای دیواره داخلی بوش سیلندر ^5-10 ×1.0601  است، که حداکثر کرنش الاستیک نرمال بوش سیلندر است. و توزیع کرنش الاستیک نرمال در پایین داخل بوش سیلندر برابر  ^6-10 ×5.9781 – می‌باشد. از این رو کرنش نرمال کشسانی دیواره داخلی بوش پوشش‌داده شده سرامیکی به تدریج از بالا به پایین کمتر می‌شود.

توزیع کل تغییر شکل مدل بوش سیلندر پوشش داده شده با سرامیک با نمودارهای آن در شکل 10 نشان داده شده است. این توزیع کل تغییر شکل را از طریق بوش سیلندر پوشش داده شده سرامیکی نشان می دهد. در شکل 10 رنگ قرمز حداکثر تغییر شکل کل و رنگ آبی حداقل تغییر شکل کل (در اثر فشار) بوش سیلندر را نشان می دهد. توزیع کل تغییر شکل در بالای دیواره داخلی بوش سیلندر^7-10 ×4.291 است که حداکثر تغییر شکل کل بوش سیلندر است. و توزیع کل تغییر شکل در پایین داخلی بوش سیلندر 0 متر است. بنابراین توزیع کلی تغییر شکل دیواره داخلی بوش پوشش داده شده سرامیکی سیلندر به تدریج از بالا به پایین بوش کاهش می‌یابد.

 در جدول 2 پارامترهای محاسبه شده در نرم افزار انسیس بین دو بوش معمولی و بوش روکش شده برای نتیجه گیری آورده شده است.

• نتیجه گیری

در اینجا مقایسه‌ای بر اساس یافته‌های تحلیلی توسط نرم افزار انسیس بین بوش‌های سیلندر روکش‌دار و معمولی انجام شده و می‌توان به طور کلی نتیجه گرفت، بوش پوشش‌دهی شده عملکرد بهتری در تنش‌های مکانیکی نسبت به بوش معمولی از خود نشان داده است. در ذیل برخی از این پارامترها عنوان شده است:

1. بزرگی تنش محوری در بوش سیلندر در مقایسه با تنش شعاعی و حلقه‌ای ناشی از فشار ترکیبی و بارهای حرارتی بیشتر است.

2. بیشترین مقادیر تنش طولی و تنش شعاعی در انتهای آزاد بوش سیلندر معمولی به ترتیب  10⁶×13701 پاسگال و 10⁶×1.1309 پاسگال به وجود آمده است.

3. مشخص شده است که تنش طولی در انتهای آزاد 17.488 درصد از تنش حلقه ‌ای بوش معمولی افزایش یافته است.

4. حداکثر کرنش الاستیک شعاعی در نقطه انتهای آزاد ^5-10 ×1.0464 و کرنش الاستیک معادل در نقطه انتهای آزاد ^5-10 ×1.1309 در سیلندر چدنی پیشروی بیشتری نسبت به بوش روکش‌دار شده داشته است.

5. با شبیه‌سازی با استفاده از روش‌های موجود در FEA مشخص شد که تغییر شکل کل در انتهای آزاد بوش سیلندر معمولی دارای مقدار ^7-10 ×4.2354 متر بوده است.

6. بوش سیلندر پوشش داده شده سرامیکی با یک تنش طولی در انتهای آزاد سیلندر حدود 10⁶×1.5354 پاسگال بهبود قابل توجهی را نشان می‌دهد.

7. حداکثر مقدار کرنش الاستیک معادل شعاعی به دست آمده ^5-10 ×1.0601 در نقطه انتهای آزاد سیلندر و برای کرنش الاستیک معادل محوری ^5-10 ×1.0601 در نقطه انتهای آزاد سیلندر است. همانطور که انتظار می‌رود در انتهای آزاد بوش سیلندر رخ داده است.

8. با شبیه‌سازی با استفاده از روش‌های FEA بررسی شد که تغییر شکل کل در انتهای آزاد بوش سیلندر با روکش سرامیکی دارای مقدار^7-10 ×4.2242 متر بوده است.

 واحد تحقیق و توسعه گروه فنی مهندسی سارکو

تولید کننده انواع بوش سیلندر

Kumar, V., et al. (2023). “Mechanical stresses analysis of a partially ceramic coated cylinder liners using finite element analysis.” Materials Today: Proceedings 72: 2369-2377.