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FEM構造解析





 

2.ピストンの熱伝導解析及び熱応力解析

本事例では、まずエンジン部品であるピストンの温度分布を計算し、その後この温度分布による熱応力を計算します。 最後にシリンダー内最大圧力を加えて再計算し、ピストンの応力判定を行います。

ピストンは対称形であるため、3次元モデルは半ピストンで作成し切断面に対称境界条件を設定します。 境界条件はピストン外周部、及びピストンピン・ボスの内周部に拘束条件を設定します。 材質はGH190(FIAT規格の鋳鉄)を設定します。

ピストンの各部に熱負荷条件(熱伝達率、流体温度)を設定しCAEFEMにて定常熱伝導解析を行います。 上図は計算結果で、ピストン中央部で最大温度=摂氏307が得られました。 

材料特性上、鋳鉄では摂氏400度、アルミニウムでは摂氏200度 以上になると、弾性係数が極度に低下するため、上記温度以下で使用しなければなりません。

この計算結果をもとに熱応力を求めます。

高応力部は、
ピストンピン・ボスの上部(上図の赤い部分:A)で最大主応力 148 Mpa、
ピストン中央部:Bで最小主応力 -534 Mpaであり、
最大変形はピストン中央部:B (上図-下)で 0.16 mm が得られます。

次に、エンジン稼動状態をシュミレーションするために、上記条件に、シリンダー内最大圧力を加えて、再度計算します。

高応力部は、
ピストンピン・ボスの上部(上図の赤い部分:A)で最大主応力 73 Mpa、
ピストン中央部:Bで最小主応力 -517 Mpaであり、
最大変形はピストン中央部:Bで0.13 mm が得られます。

以上の計算結果より、A部の最大引張応力は材料の引張強さ(250 Mpa)以下、B部の最大圧縮応力は材料の圧縮強さ(-800 Mpa)以下であり、静荷重に対しOKと判定できます。

次に、疲労強度は
A部:平均応力=110.5 Mpa、応力振幅=37.5 Mpa
B部:平均応力=-525.5 Mpa、応力振幅=8.5 Mpa
が得られますので、疲労限度線図にて安全率を求め、応力判定を行います。

 



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