Diapositiva 1 - Piancastelli

Università degli studi di Bologna - Facoltà di Ingegneria - A.A. 2004/2005 - 19 dicembre 2005
PROGETTAZIONE E VERIFICA
TERMOSTRUTTURALE DELLA TESTATA DI
UN MOTORE MOTOCICLISTICO
AD ALTE PRESTAZIONI
Candidato: Daniele Marozzi
Relatore:
Prof. Ing. Luca Piancastelli
Correlatori: Prof. Ing. Giorgio Bartolozzi
In collaborazione con:
DUCATI
Prof. Ing. Sandro Salvigni
Dott. Ing. Stefano Cassani
Ing. Massimo Rosso
OBIETTIVO DELLA TESI
 Sviluppare un metodo di verifica
termostrutturale della testata, semplice ed
utilizzabile in fase di progettazione.
 Valutarne le potenzialità
confrontando i risultati con i dati
sperimentali.
PROGETTARE per le PRESTAZIONI
Verifiche sul componente
T E RMIC HE :
Temperature in camera di combustione
Temperature lato acqua
Temperature olio
Punti caldi d’innesco detonazione
Scadimento proprietà materiale
Problemi di ebollizione
Degrado dei fluidi
ME C C ANIC HE :
Tensioni
Rotture a fatica
Deformazioni
Funzionamento scorretto
Interazione con i componenti
Perdite di fluidi
Occorre modellare anche il cilindro
Dati di riferimento
• Motore Bicilindrico a L
• Distribuzione desmodromica
4 Valvole per cilindro
•Raffreddamento a liquido
•998 cc
•124 CV a 9750 rpm
•Gruppo termico in lega di
Ducati 999 Biposto
alluminio
Carichi Termici
Combustione
Contatto valvola d’aspirazione
Contatto valvola di scarico
Olio
Condotto d’aspirazione
Condotto di scarico
Refrigerante
Modello monodimensionale di scambio
termico in camera di combustione
MASS IMA
POT E NZA:
- 9750 rpm
- C arico 100%
Pressione = P(α)
T emperatura = T (α)
720
1
h gas,med =
⋅ ∫ h g a s( α ) ⋅ dα = 683 W/m² K
720 0
720
Tgas ,med
1
=
⋅ ∫ hgas ( α ) ⋅ Tgas ( α ) ⋅ dα = 1103 °C
720 ⋅ hgas ,med 0
Distribuzione spaziale dei flussi termici
-Scambio termico gas - parete
-Potenza dissipata per attrito del pistone
-Scambio termico segmenti - parete
-Scambio termico mantello - parete
Condotti di Aspirazione e di Scarico
Temperatura = T(α)
Portata = Q(α)
Nu = 0,027 Re
0 ,8
Pr
0 , 33
νg
νp
(Sieder & Tate)
h [W/m²K]
T [°C]
Aspirazione
89
27
Scarico
325
922
Refrigerante
Elevati flussi di calore
Fattori che condizionano lo scambio:
Convezione Forzata
 Temperatura di parete
Ebollizione Nucleata
 Proprietà del fluido
Flusso Critico
 Finitura superficiale
 Depositi
Meno importanti:
o Velocità
o Diametro idraulico
Confronto Modelli:
•Chen
•Mc. Adams
•Thom & al.
•Forster & Zuber
•Rosenow
MODELLO MEF -
ΛNSYS WorkBench 10.0®
• 200˙000 NODI
• 120˙000 ELEMENTI
• Comportamento non lineare dei:
- materiali in funzione della
temperatura
- contatti tra sedi, guide e testa
- scambi termici del refrigerante
- curve pressione-schiacciamento
della guarnizione
• Step di carico:
1) Assemblaggio
2) Assemblaggio + Termico
3) Assembl. + Termico + Colpo di Pressione
Risultati – Verifica Termica 1
1) C AMPO DE L L E T E MPE RAT URE
PUNTI
ΔT
1
+ 12°C
2
+ 4°C
3
+ 18°C
4
+ 50°C
MEDIA
+ 5%
2) P OT E NZA A SPORT AT A DAL R E F RIG E RANT E
SPERIMENTALE
MODELLO
13869 W
14240 W
+ 2,6%
Risultati – Verifica Termica 2
1) C AMPO DE L L E T E MPE RAT URE , corretto
PUNTI
ΔT
1
+ 0.97 °C
2
+ 2.8°C
3
+ 0.1°C
4
- 0.3°C
Modifiche, basate su prove sperimentali:
Pressione del refrigerante da 1.9 bar a 1 bar.
Parabola di distribuzione spaziale dei flussi modificata.
Flusso medio - 8.2 % .
MEDIA
+ 0.2%
Risultati – Tensione Equivalente
Step
1
Step
2
Step
3
•Le sollecitazioni maggiori si hanno all’assemblaggio.
•Lo stato più pericoloso è al secondo step, il materiale è in
temperatura.
Risultati – Tensione Equivalente
Step
1
Step
2
Step
3
•Sollecitazioni maggiori al secondo step, a causa delle dilatazioni termiche.
•Al terzo step la pressione di contatto delle valvole migliora lo stato tensionale.
•Sedi al limite di sicurezza.
•Guide poco sollecitate.
Rilievi di durezza
La permanenza della lega ad alte temperature
ne modifica le caratteristiche meccaniche.
Attraverso prove in forno è possibile stabilire
una correlazione tra durezza e temperature
raggiunta dal materiale,
noto il tempo di permanenza.
Ricavando
dei piani su cui fare i rilievi
Prova
Sperimentale:
può controllare
la mappa
termica.
• si Due
teste, una nuova
e che
ha
lavorato al banco per 5 h
•
Taglio e spianatura su 3 piani
•
Prova Brinell HBW 2.5 / 62.5
Risultati dei Rilievi
Durezze sulla testa nuova,
in prossimità del piano di simmetria.
Scarto massimo sul piano: 7 HBW
Scarto massimo totale:
12 HBW
Massima durezza nel ponticello
tra aspirazione e scarico
Risultati dei Rilievi
Massime durezze nel ponticello e
verso le zone calde; possibili cause:
Carico termico basso e per tempo breve
Alterazione della superficie con il taglio
Trattamento termico incompleto
Conclusioni
• Il campo di temperature previsto è al limite di
sicurezza.
• I carichi più rilevanti sono quelli di origine
termica.
• La simulazione dell’intero gruppo termico è
molto onerosa e necessaria solo per la verifica
della guarnizione.
• Le prove sperimentali necessitano di
componenti di cui è nota la storia di carico.
Sviluppi futuri
• Caratterizzare il materiale in temperatura.
• Studio dei transitori e del creep.
Grazie a tutti per l’attenzione