Riassunto analitico
Durante le attività di ricerca è stata sviluppata una metodologia per la verifica strutturale di collettori di scarico per motori a combustione interna. Il fenomeno studiato e ritenuto fondamentale per l’affidabilità riguarda le sollecitazioni termiche e la fatica a basso numero di cicli.
Il metodo proposto è stato applicato durante lo sviluppo di un nuovo progetto Ferrari di collettore fuso con voluta turbina integrale. La complessità della geometria è data dai vincoli imposti per target di sound e prestazione motore che definiscono lunghezze dei condotti e architettura twin-scroll del turbo gruppo.
Sono state svolte simulazioni numeriche con lo scopo di fornire una delibera virtuale, in anticipo rispetto alla realizzazione del componente, per intercettare e prevenire possibili problemi strutturali. Il modello di calcolo replica la prova specifica Ferrari per la delibera sperimentale dei collettori e si riferisce ad un ciclo a banco di caratterizzazione dei fenomeni termici. Il test prevede una successione di cicli di riscaldamento e raffreddamento rapido per replicare in modo accelerato un utilizzo tipico vettura. Il componente è validato se al termine della prova il collettore non presenta anomalie strutturali che ne limitano la funzionalità come ad esempio cricche passanti o distacco di materiale all’interno della cassa turbina.
La necessità di valutare un nuovo design di collettore ha portato ad approfondire due aspetti fondamentali dei modelli di calcolo: comportamento elasto-plastico del materiale in temperatura, criterio di danno per la fatica oligociclica
Dalle esperienze sperimentali pregresse su collettori Ferrari è stato utilizzato come criterio di danno l’incremento di plasticizzazione (delta PEEQ) relativo ad un singolo ciclo di riscaldamento e raffreddamento. Il criterio risulta molto semplice in quanto i modelli di calcolo necessitano delle sole caratteristiche statiche dei materiali in temperatura, curve elasto-plastiche, e di una buona taratura del ciclo termico. Per contro non esistono veri target teorici da perseguire ma si utilizzano dei valori empirici ottenuti dalle correlazioni di rotture riscontrate negli anni su progetti simili Ferrari.
Il criterio si è rivelato ben correlato alle evidenze sperimentali e ha permesso di limitare la durata dello sviluppo del componente a poche prove di validazione. Le modifiche di geometria introdotte sulla base delle valutazioni a calcolo hanno permesso, in prima battuta, di evitare rotture premature e successivamente di affinare la geometria per raggiungere gli obiettivi e portare a termine la delibera sperimentale.
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Abstract
During the Ph.D. research activity, a methodology for the structural analysis of the exhaust manifolds of an internal combustion engine has been proposed. In particular, the thermal loading and the related thermal fatigue damage mechanism are addressed.
The method has been applied during the study of a new Ferrari project of melted exhaust manifold which includes the turbine involute. The particular complex geometry of the component derives from the project constrains in terms of engine performance and sound targets which define the length and the cross section of the different exhaust system parts and the twin-scroll architecture of the turbocharger assembly.
Several Finite Element simulations have been performed to obtain a virtual approval of the component geometry, in advance with respect to the component manufacturing, in order to identify and prevent possible structural failures. The numerical analysis accurately follow the experimental approval procedure which considers different warming and rapid cooling cycles to mimic typical engine operating conditions. Two particular aspects of the developed numerical methodology are described in details: the elasto-plastic behaviour of the material at high temperatures, a damage criterion for thermal fatigue.
Based on Ferrari expertise derived by previous experimental and numerical analysis of other exhaust manifolds, the increase of the equivalent plastic strain registered for a single thermal cycle (delta PEEQ) has been adopted as damage criterion for the low cycle thermal fatigue analysis. On one side, this criterion is easy to be adopted since only the static (tensile test) material properties have to be included in the Finite Element models. On the other side, no general target values of delta PEEQ exist and the numerical forecasts have to be compared with specific values derived from experimental correlations performed by Ferrari considering different failures registered during the development of similar components.
The adopted criterion has revealed itself to be well correlated with the experimental evidences thus limiting the number of tests necessary for the component approval. The geometry modifications introduced following the Finite Element results have firstly prevented untimely structural failures and then allowed an optimization of the component geometry useful to reach the target number of cycles.
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