تحليل تنش گرمايي چندراهه خروجي چدني D5S موتور بنزيني پرخوران بر اساس روش FSI و دمايابي

Thermal Stress Analysis for D5S Cast Iron Exhaust Manifold of a Turbo-Charged Gasoline Engine Based on FSI Method and Temperature-Detection

اين پژوهش با هدف تعيين توزيع دما در چندراهه چدني خروجي دود يك موتور بنزيني پرخوران به انجام رسيده است. بدين منظور ابتدا بر­اساس روش تعامل سازه و سيال (FSI)، با انجام يك تحليل حرارتي، توزيع دماي ايستا در گاز عبوري از مجموعه چندراهه و نيز در مجموعه چندراهه بكمك يك نرم­افزار CFD شبيه­سازي گرديده است. البته، شرايط مرزي دمايي قبلاً با انجام آزمون دمايابي روي موتور تعيين شده است. سپس بمنظور انجام آناليز تنش حرارتي، ابتدا شرايط مرزي مكانيكي در يك مدل FEM غير­خطي از مجموعه چندراهه ساخته شده در محيط آباكوس، اعمال گرديده است. همچنين، توزيع دماي حاصل از تحليل حرارتي، بصورت يك ميدان دماي از پيش تعريف شده به مدل FEM نسبت داده ­شده است. دامنه تغييرات دماي چندراهه در ماژول خواص مواد وارد گرديده، بطوريكه نرم­افزار خواص ماده را در هر نقطه مطابق با درجه حرارت آن نقطه تعيين و در محاسبات تنش حرارتي لحاظ مي­نمايد. نهايتاً با اجراي برنامه، توزيع تنش­هاي حرارتي تعيين گرديده است. نتايج عددي حاصله نشان مي­دهند كه محل همريختگاه چندراهه خروجي به لحاظ تنش­هاي حرارتي بحراني­ترين ناحيه مي­باشد، و در نواحي اطراف اتصالات بيشترين تنش­هاي برشي رخ مي­دهد.

This research work is directed toward determining the thermal stresses in a Ni-Resist cast iron commercial exhaust manifold of a turbo-charged gasoline engine. At first, based on a fluid-structure interaction (FSI) method, the steady state temperature distributions in the exhaust gas as well as in the exhaust manifold set are determined, using a CFD model. The thermal B.C.’s previously estimated by conducting a motor temperature detection test. Next, to conduct a thermal stress analysis, a full FEM model for the manifold set has been generated in the Abaqus software, and the mechanical B.C.’s are imposed in that. Also, the temperature distribution resulted from the thermal analysis imputed to the nonlinear FEM model as a predefined temperature field. Also, the range of temperature variations in the manifold is defined for the software material property module, so that Abaqus computes the material properties and stresses in each point according to the local temperature. Finally, executing the FEM model, the thermal stress distributions are computed. The numerical results show that the thermal stresses have the most critical values at the confluence region of the manifold, and maximum shear stresses occur around the bolted joints.