Hãng sản xuất động cơ Ural Diesel-Motor Works sử dụng mô phỏng đa trường để giảm thiểu nứt vỡ nắp xi-lanh động cơ diesel. Sản phẩm có thiết kế mạnh mẽ yêu cầu các kỹ sư khảo sát nhiều điều kiện hoạt động thực tế mà sản phẩm phải trải qua trong suốt quá trình làm việc. Mô phỏng đa môi trường vật lý để dự đoán tuổi thọ mỏi của sản phẩm là một cách hiệu quả để kiểm tra kỹ lưỡng phạm vi của các điều kiện hoạt động và đảm bảo độ tin cậy. Động cơ được chế tạo bởi Ural Diesel-Motor Works LLC là một động cơ đã được thiết kế cách đây vài thập niên mà không có sự hỗ trợ của công nghệ mô phỏng và loại động cơ này đang gặp phải vấn đề với nắp xi-lanh. Các vết nứt xuất hiện trên nắp xi-lanh gần với vòi phun nhiên liệu làm cho nước từ buồng làm mát rò rỉ xuống vùng không gian giữa đầu xi-lanh và vòi phun. Trong trường hợp xấu nhất, nước hòa trộn với nhiên liệu làm động cơ không hoạt động được nữa.

        Ural Diesel-Motor Works thành lập năm 2003. Công ty chế tạo động cơ diesel cho tàu thủy và xe lửa với công suất từ 1050 đến 2600 mã lực. Ural Diesel-Motor Works cũng chế tạo các động cơ phát điện diesel với công suất lên tới 1600kW. Hiện tại công ty thành lập một nhóm chuyên về mô phỏng và bài toán liên quan đến nứt nắp xi-lanh là một trong những bài toán đầu tiên mà nhóm cần phải giải quyết.

         MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC DÒNG CHẢY

        Để nâng cao tuổi thọ của các loại động cơ chuyên biệt sử dụng trong đầu máy xe lửa và máy phát điện các kỹ sư của công ty tiến hành mô phỏng động cơ. Bắt đầu bằng việc nhập mô hình CAD của nắp xi-lanh vàoANSYS DesignModeler để loại bỏ những thành phần hình học bên trong nắp xi-lanh và mô phỏng dòng chảy qua áo làm mát. Các chi tiết không cần thiết được loại bỏ và các kỹ sư chia lưới vùng chất lỏng sử dụng các phần tử tứ diện, lưới ở lớp biên được chia theo kỹ thuật thổi phồng lưới (inflation) để nâng cao độ chính xác kết quả tại các lớp biên.

Sau đó, mô hình lưới được chuyển vào ANSYS CFX để thiết lập điều kiện biên và vật liệu để tính toán mô phỏng. Nhóm nghiên cứu mô phỏng dòng chảy trong áo làm mát và xem xét các vùng mà ở đó vận tốc dòng chảy là thấp nhất. Vận tốc dòng chảy thấp khiến truyền nhiệt từ nắp xi-lanh ra nước làm mát bị hạn chế và đó là nguyên nhân gây quá nhiệt nắp xi-lanh. Tiếp theo, các kỹ sư áp đặt nhiệt độ từ thực nghiệm lên mô hình CFD và chạy lại mô phỏng để thu được trường phân bố nhiệt trên nắp xi-lanh.

        MÔ PHỎNG NHIỆT-ỨNG SUẤT

       Nhóm nghiên cứu quay trở lại mô hình CAD ban đầu trên ANSYS Workbench và sử dụng mô hình này để tạo ra mô hình mô phỏng trên ANSYS Mechanical. Khả năng tự động nhận biết các tiếp xúc của ANSYS đã được sử dụng để tạo nên các cặp tiếp xúc trong mô hình. Các tải cơ học được đặt vào mô hình. Các kỹ sư sử dụng tương tác cặp môi trường trên ANSYS Workbench để đặt trường nhiệt (đã được xác định trong mô phỏng CFD) lên mô hình trong Mechanical để tính toán trường ứng suất nhiệt trên mô hình. Các kỹ sư lựa chọn các bề mặt bên trong của mô hình để đặt tải nhiệt từ mô phỏng CFD. Bước cuối cùng là đặt một áp suất phát sinh trong động cơ trong quá trình làm việc. Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu, các kỹ sư phải tạo ra các trường hợp tải trọng khác nhau để khảo sát trong một chu kỳ hoạt động của động cơ, nhưng sau đó họ nhận thấy rằng họ có thể tiết kiệm thời gian bằng cách khảo sát trường hợp tải trọng lớn nhất.

        Với toàn bộ tải đặt vào nắp xi-lanh, ANSYS Mechanical sẽ tính toán ra ứng suất trung bình và biên độ ứng suất. Ứng suất phát sinh trong kết cấu lớn hơn so với giới hạn chảy của vật liệu nhôm. Thông qua đó các kỹ sư đã xác định được một cách rõ ràng nguyên nhân chính gây nứt nắp xi-lanh.

        Các kỹ sư của Ural Diesel-Motor Works sau đó phải giải quyết vấn đề về vật liệu của nắp xi-lanh. Họ quyết định thay đổi vật liệu nắp xi-lanh từ nhôm thành gang kết cấu vì gang kết cấu có giới hạn chảy cao hơn so với nhôm. Các kỹ sư cũng hiệu chỉnh hệ thống làm mát để giải quyết vấn đề vận tốc thấp tại các vùng cần làm mát trong mô phỏng CFD trước đó. Họ chạy lại mô phỏng CFD và trích xuất trường nhiệt ở nắp xi-lanh và nhập vào trong phân tích kết cấu.

        Do gang có trọng lượng riêng lớn hơn so với nhôm nên nhóm nghiên cứu phải thay đổi dạng hình học của nắp xi-lanh nhằm mục đích giảm khối lượng. Các kỹ sư đã sử dụng công cụ tối ưu hóa hình dạng của ANSYS (ANSYS Shape Optimization) để phân phối lại vật liệu trên nắp xi-lanh nhằm giảm tối đa khối lượng trong khi vẫn đảm bảo độ cứng yêu cầu. Đầu ra của công cụ tối ưu hóa hình dạng trên ANSYS là một biểu đồ cho thấy nơi nào vật liệu có thể bớt được với ảnh hưởng ít nhất đến độ cứng tổng thể của kết cấu.

        Hình dáng hình học của nắp xi-lanh bị hạn chế thay đổi do các yêu cầu liên kết với các bộ phận khác trong toàn bộ kết cấu. Tuy nhiên, các kỹ sư đã tìm được giải pháp bằng cách sử dụng công cụ tối ưu hóa hình dạng. Trọng lượng của nắp xi-lanh làm bằng gang sau tối ưu hình dạng vẫn lớn hơn so với nắp xi-lanh làm bằng nhôm nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu.

Hình 1 - Mô hình CAD nguyên bản của khối động cơ được chế tạo bằng vật liệu nhôm

Hình 2 - Mô phỏng CFD áo làm mát động cơ

Hình 3: Ứng suất tương đương Von Mises do tác dụng của nhiệt và áp suất lên khối động cơ

Hình 4: Hình dạng hình học đã được tối ưu của nắp xi-lanh được chế tạo bằng vật liệu gang