تحليل اجزاي محدود آسيب خستگي در بستار موتور ديزل سواري تحت بارگذاري هاي نوساني مكانيكي- حرارتي

Finite element analysis of fatigue damage in passenger-car diesel engine cylinder head under cyclic thermo-mechanical loadings

در اين مقاله، به تخمين عمر خستگي مكانيكي- حرارتي بستار يك موتور ديزل سواري پرداخته شده است. ابتدا از الگوي ارتجاعي- مومسان لزج دولايه موجود در نرم افزار آباكوس، به منظور محاسبه توزيع تنش و كرنش در بستار استفاده شده است. ثوابت مادي اين الگو، با تطبيق منحني­ هاي هيسترزيس تنش- كرنش حاصل از شبيه­ سازي و آزمون­ هاي خستگي كمچرخه و مكانيكي- حرارتي، بر روي همبسته آلومينيم- سيليسيم- منيزيم بدست آمده است. به منظور تخمين عمر خستگي بستار، از دو الگوي آسيب خستگي پركاربرد، شامل الگوي انرژي كرنشي مومسان تصحيح شده و الگوي شهيد اغلو استفاده شده است. نتايج هر دو الگو، مكان ترك خستگي در بستار را بين دريچه ها تخمين زدند كه اين نتيجه با مشاهدات تجربي مطابقت دارد. نتايج هر دو الگو نيز، مشابه بوده اما الگوي انرژي، با توجه به سادگي فرمولاسيون آن و تعداد كمتر ثوابت مادي، الگوي مناسب­تري نسبت به الگوي شهيد اغلو، براي تخمين عمر خستگي مكانيكي- حرارتي قطعات، بشمار مي­رود.

In this article, the thermo-mechanical fatigue lifetime of the cylinder head of a passenger-car diesel engine has been estimated. At the first stage, stress and strain distributions in the cylinder head have been calculated using the two-layer visco-plastic model, available in the ABAQUS software. The calibration of the model was performed, using correlating of simulated hysteresis curves and low-cycle fatigue (LCF) and thermo-mechanical fatigue (TMF) tests on the aluminum-siliconmagnesium alloy. In order to estimate the fatigue lifetime of the cylinder head, two common approaches including the corrected plastic strain energy model and the Sehitoglu’s model were utilized. Obtained results of both models showed that the fatigue crack area was located between valves, which could be verified by empirical observations of the fatigue crack area. Both models had similar results; however, the energy model was the optimal approach, in order to predict the fatigue lifetime of components, than that of the Sehitoglu’s model. The reason was simplified formulations and the lower number of material constants for the energy model, with respect to those of the Sehitoglu’s model.