Topológia optimalizálás és végeselemű elemzés egy sugárhajtóműves motortartóra

MECHANIKAI MÉRNÖK | KUTATÁSI CIKK

  • Teljes cikk
  • Ábrák és adatok
  • Hivatkozások
  • Idézetek
  • Metrikák
  • Engedélyezés
  • Újranyomtatások és engedélyek
  • PDF

Absztrakt

1. Bemutatkozás

A jet dragster egy nagy teljesítményű versenyautó, amelyet sugárhajtómű hajt. Főleg szárazföldi sebességrekordok felállítására és drag versenyeken használják. A General Electric J79 sugárhajtású motorral hajtott Green Monster volt az első sugárhajtású drag-racing jármű. Négykerekű kialakítását 22 láb hosszú karosszériával érte el az 1960-as években, és képes volt elérni a 285 km/h (177 mph) maximális sebességet. A tudomány és a technika fejlődésével a dragsters ma elérheti a 350 mérföld/órás végsebességet egy negyed mérföld hosszú versenyen. A versenyalkalmazásokra átalakított repülőgép-hajtóművek segítségével a sugárhajtómű megbízhatóan 22 kN (5000 lbf) utánégető tolóerőt képes előállítani és 6 másodperc alatt megközelítőleg 300 mph sebességgel haladhat, másodpercenként akár 5,7 l üzemanyagot fogyasztva.

teljes

A járműtömeg csökkentése folyamatos igény a nagy teljesítményű gépjármű- és repülőgépipari alkalmazásokban. A jármű súlyának csökkentése, a megfelelő teljesítmény és biztonság fenntartása mellett, érdekes a versenyautók alkalmazásában, és ez alól a National Hot Rod Association (NHRA) drag versenyei sem kivételek. Autóipari alkalmazásokban a súlycsökkentés javíthatja a jármű teljesítményét azáltal, hogy csökkenti a gördülési ellenállást és a gyorsuláshoz szükséges energiát, ezáltal javítva az üzemanyag-hatékonyságot Ghorpade et al. (2012). A jármű gyorsulása és biztonsága egyaránt kritikus tényező a könnyű és szerkezetileg megfelelő jármű kialakításában.

2. Irodalmi áttekintés

Vinchurkar és Khanwalkar (2016) a közúti jármű motorszerelő konzoljának véges elemzésében (FEA) és topológia optimalizálásában végzett kutatásukat a súlycsökkentés optimalizálása céljából. Az optimalizált szerelési szerkezetnek megfelelő merevséggel kell rendelkeznie a túlzott rezgések és zaj elkerülése érdekében. Az egyes szerelőszerkezetekre ható motorterhelést kiszámítják, és ezen határfeltételek mellett szilárdsági és feszültséganalízist hajtottak végre a szerkezet viselkedési jellemzőinek azonosítása és az eredmények elfogadható tartományon belüli ellenőrzése érdekében. A szerkezetet mereven rögzítették a tartó alján, és egy erőt fejtettek ki a tartó tetején 1500 N erővel. Miután határfeltételeket és erőterheléseket alkalmaztunk az alapszintű FEA eredmény elérése érdekében, a a rögzítést optimalizálták, ami megfelelő tömegcsökkenést eredményezett. Megállapították, hogy az optimalizált tartónak nagyobb a feszültségértéke (az eredeti szerkezethez képest), de még mindig az elfogadható tartományon belül volt.

Benaouali és mtsai. (2016) egy nagyon könnyű repülőgép-hajtómű felépítésének optimalizálásáról szóló tanulmányukban először azonosították a rendszer által tapasztalt különböző típusú terhelési feltételeket (vagy terhelési eseteket). A terheléseket a szerkezet súlypontján fejtették ki, és a rögzítési helyeket mereven rögzítették. A szerkezetnek megfelelő szilárdsággal és merevséggel kellett rendelkeznie ahhoz, hogy ellenálljon a különböző terhelési eseteknek, mindezt minimális tömeg elérése mellett. Kiszámítottuk a motor maximális és névleges fordulatszámának megfelelő rezgési frekvenciákat, és meghatároztuk az optimális tervezési szerkezet természetes frekvenciáit, hogy a rendszer biztonságban legyen a rezonanciától.

Pan és mtsai. (2007) hajtómű tartószerkezetének szerkezeti optimalizálását hajtották végre, és tanulmányukban kétféle szerkezeti optimalizálási módszert hajtottak végre, a topológiát és az alakoptimalizálást: ez utóbbit általában az optimalizált topológiára alkalmazzák a további tömegcsökkentés érdekében. A módszertan magában foglalta az FE modellben a kezdeti tervezési tér meghatározását elsődleges lépésként, és biztosította, hogy a meghatározott tervezési tér ne zavarjon más részeket. Az optimalizált kialakítás tovább alakra optimalizált. A topológia optimalizálásának egyik legnagyobb problémája az optimalizált modell gyárthatósága. Így a topológia optimalizálására új vonalvezetési irány-korlátokat alkalmaznak. A kapott optimalizált kialakítást megfelelően módosítani kell, figyelembe véve a gyárthatóságot és egyéb korlátozásokat.

Patil és Naghate (2012) a motorra szerelhető tartó modális elemzésének vizsgálatában megkísérelték csökkenteni a tartóelem alkatrész súlyát, hozzájárulva ezzel a járművek tömegének általános csökkentéséhez. Tanulmányok azt mutatják, hogy a konzolok a súly 38% -át is megtakaríthatják, elvégezték a motor rögzítő konzoljainak szerkezeti és anyagoptimalizálását. A magnéziumot jobb megoldásnak találták a konzol anyagához, és a modális elemzés azt mutatta, hogy a magnézium konzol frekvenciája alacsonyabb, mint az alumínium konzolé. Mivel a felülvizsgált kialakítás természetes frekvenciája alacsonyabb, mint a motortartó gerjesztési frekvenciája, a kialakítást biztonságosnak tekintették.

Lucas és mtsai. (2006) optimalizálta a Formula SAE diákverseny versenyautójában használt harang forgattyújának topológiáját 2006-ban. Az új, 2006-os harangot a 2005-ös versenyen használthoz hasonlították. Az Altair OptiStruct topológia optimalizáló szoftvert alkalmazták annak érdekében, hogy csökkentse a súlyát a 2006-os harangvillás modelltől, miközben megtartotta a hozamot. Az eredményeket figyelembe véve 24,3% -os tömegcsökkenést értek el a 2005-ös modellhez képest. A 2006-os harang hajtókarjának tömege 140 g volt, és 30% -os hozamnövekedést ért el (15,9 kN hozamterhelés). Az eredmények azt is bizonyították, hogy a súlycsökkentés segíti a jármű teljesítményét. 2006-os autójuk végső tömege 223 kg volt (a 2005-ös modell 246 kg volt), és végül a harmadik helyet szerezte meg a versenyen. A 75 m gyorsuláson rögzített idejük 4,137 másodperc volt. Ez drasztikus fejlődés a 2005-ös autómodellben, amely 4,634 másodpercet futott.

Kala és Kiran (2015) az ANSYS segítségével modális elemzést hajtottak végre a különböző frekvenciák természetes frekvenciájának megkeresésére. A reverz mérnöki munkát úgy hajtották végre, hogy fizikailag megszerezték a busz V6-os motortartójának méréseit. A megadott mérésekkel CAD modellt készítettünk a CREO-ban. A modális elemzés eredményei azt mutatták, hogy a számítógéppel támogatott mérnöki programok használata elősegítheti az elemzés egyszerű megjelenítését. Ez segít a korai problémák felderítésében, tekintettel a tervezésre, és segít meghatározni, hogy mi lesz a modell eredménye. Ez több szimulációs technika megvalósítását és a fizikai prototípusok csökkentését jelenti ugyanazon cél elérése érdekében.

Benur & Akshatha (2015) kétlépcsős végeselem-alapú optimalizálási folyamatot hajtott végre a tömeg csökkentése érdekében, miközben kielégíti a tipikus repülőgép-hajtómű alumínium tartó konzoljának szilárdsági paramétereit. Az első lépés az optimális anyageloszlás keresése, majd a második lépés, amely végeselemek méretezését és alakoptimalizálását tartalmazza a szilárdság-alapú paraméterek kielégítése érdekében. Az eredmények alapján ez a tanulmány kimutatta, hogy az alumínium konzol ezen kétlépcsős FE alap optimalizálási technikájával 20,17% -os összsúlycsökkenés történt. Ez az új konzol nemcsak kisebb súlyokkal rendelkezik, ami rendkívül fontos az űriparban, hanem fenntartja a kívánt szilárdsági paramétereket is.

3. CAD modellezés és végeselemzés

A végeselemes módszer (FEM) egy numerikus közelítési módszer, amelyben az összetett struktúra több apró részre oszlik, véges elemeknek nevezzük. A topológia optimalizálása a FEM eszközök hasznos szolgáltatása, amely lehetővé teszi a mérnök számára, hogy azonosítsa az összeállítás olyan részeit, amelyek túltervezettek vagy feleslegesek a strukturális követelmények teljesítéséhez. A topológia optimalizálása azonosítja a szerkezet azon területeit, ahol az anyagsűrűség minimalizálható, ezáltal teret engedve az optimalizált terveknek. Az itt használt FEM eszköz az ANSYS Workbench 19.0. A topológiaoptimalizálás lehetővé teszi annak meghatározását, hogy az anyagmennyiségen az alátámasztások és terhelések, az optimalizálási régió és a kívánt követelmények kielégítésére vonatkozó korlátozások.

A jelenlegi/meglévő motortartót a Siemens SolidEdge CAD eszközzel modelleztük. A tartószerelvény az 1. (a, b) ábrán látható. A tervezett modellt az ANSYS-be exportálták a strukturális elemzés elvégzésére. A motortartó alumínium 6061-T6511H anyagból készül, és az anyag tulajdonságai itt találhatók (Sapa Extrusion North America, 2017).