Riassunto analitico
La tesi propone l’analisi dell’influenza della derivata di pressione rispetto all’angolo motore sul comportamento dinamico strutturale di un pistone. In particolare, si studia come i moti secondari del pistone vengono condizionati da un processo di combustione sempre più aggressivo, in modo tale da comprendere se esiste una limitazione dal punto di vista strutturale per il gradiente di pressione, durante il processo di combustione.
Per questa applicazione, viene implementata una metodologia di modellazione basata sulla condensazione modale dei diversi componenti del manovellismo di spinta, inizialmente modellati agli elementi finiti, insieme ad un’analisi multi-body per la valutazione dinamica dei vari cicli motore, cosicché si possano valutare i moti secondari del pistone. In questo caso, viene tenuto in considerazione solo un cilindro ed una manovella dell’intero motore.
Attraverso il software Altair Hypermesh, il modello viene preparato per la condensazione modale, necessaria per la riduzione della pesantezza del calcolo, che, altrimenti, potrebbe richiedere tempi inaccettabilmente lunghi. Principalmente, sopra il mesh 3D del pistone, viene costruito un guscio 2D nelle zone corrispondenti al mantello e alla porzione di corona che si colloca sopra il mantello stesso, che servirà come base per condensare il pistone. Inoltre, vengono utilizzati 10 elementi RBE3 sulle portate, e un altro elemento RBE3 sul cielo, per concludere la preparazione di questo componente. Similmente, la canna del manovellismo viene preparata con la costruzione di un guscio 2D, nelle zone dove avviene il contatto con il pistone. Invece, è prevista una preparazione più semplice dei componenti biella e spinotto, dove si richiede solo l’impiego di elementi RBE3 sull’asse dello spinotto, e sull’asse della testa e del piede della biella.
Dopodiché, si utilizza il software Altair OptiStruct, per effettuare la condensazione dei vari componenti singolarmente, mediante il metodo di condensazione dinamica di Craig-Bampton. In questo modo, si ottengono modelli equivalenti, in termini di massa, rigidezza e smorzamento, con un numero ridotto di gradi di libertà, riducendo il costo computazionale richiesto per le varie simulazioni.
Infine, si impiega il software AVL Excite Power Unit, per le analisi multi-body. Più specificamente, viene impostato un modello tipico di contatto lubrificato tra pistone e canna, utilizzando i componenti condensati in precedenza, stabilendo diversi profili di pressione, sempre più aggressivi, a parità di regime massimo di rotazione del motore. Conseguentemente, vengono analizzati i risultati ottenuti e comparati tra di loro. Più specificamente, si confrontano le accelerazioni verticali e laterali e le corrispondenti forze.
Mediante queste analisi, si osserva come, nonostante si impieghino combustioni con derivate di pressione raddoppiate rispetto alle altre, le forze laterali riscontrate, che sono le dirette responsabili del cosiddetto Piston-slap, non sembrano in grado di mettere in crisi il pistone a livello strutturale, dal momento che esse rimangono comunque di un ordine di grandezza inferiore alle forze che il pistone già subisce durante il processo di combustione.
Perciò, si può affermare che dal punto di vista strutturale, la derivata di pressione rispetto all’angolo motore non influisce gravosamente sul comportamento dinamico del pistone, al contrario di quello che si poteva aspettare, poiché le forze dovute ai moti secondari del pistone rimangono contenute, anche nei casi in cui il processo di combustione avviene in modo intenso. Infatti, tramite la cosiddetta procedura di stress-recovery, si nota come le tensioni massime sulle nervature del pistone subiscono un incremento di circa il 30%, di fronte ad un incremento del gradiente di pressione pari a tre volte il valore iniziale.
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