Kampiakselin dynaamisen jännitystilan määritys
Häkkinen, Aapeli (2020)
2020
Konetekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Mechanical Engineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004294311
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004294311
Tiivistelmä
Mäntämoottorin kampikoneisto on korkeiden dynaamisten kuormitusten alaisena, minkä vuoksi sen rasitukset pyritään mallintamaan moottorin suunnitteluvaiheessa dynamiikkalaskennan avulla. Nykyisellä laskentakapasiteetilla ei ole mahdollista suorittaa dynamiikkalaskentaa suoraan FEM-kappaleilla (engl. Finite Element Method, elementtimenetelmä), vaan kappaleille on välttämätöntä suorittaa dynamiikkamallin vapausasteita merkittävästi vähentävä dynaaminen tiivistys. Tiivistyksen yhteydessä elementtitason resoluutio menetetään, mistä syntyy tarve jännityspalautukselle. Jännityspalautuksella saadaan palautettua dynamiikkalaskennan tuloksista FEM-ohjelmistoon haluttujen ajanhetkien jännitystulos täydellä elementtiverkon resoluutiolla.
Tässä työssä on tarkoituksena toteuttaa tieteellisesti luotettava ja käytännöllinen jännityspalautusmenetelmä AGCO Powerilla käytettyjen laskentaohjelmistojen välille. Työssä tutustutaan alan kirjallisuuden avulla mäntämoottorin kampikoneiston kuormituksiin ja monikappalejärjestelmien dynamiikkamallinnukseen. Lisäksi teoriaosuudessa käydään läpi mallinnusprosessissa käytettävä Craig-Bampton -menetelmään perustuva dynaaminen tiivistys. Tämän jälkeen kartoitetaan mahdolliset jännityspalautusmenetelmät ja niiden toteutettavuus ohjelmistojen asettamien rajoitteiden puitteissa. FEM-ohjelmistona käytetään ANSYSiä ja dynamiikkamallinnukseen FEV Virtual Engine -ohjelmistoa ADAMS-dynamiikkalaskentaohjelman kanssa.
Jännityspalautus toteutettiin kahdella tavalla: modaalikoordinaattien avulla ja alkuperäisen elementtiverkon solmujen siirtyminä. Käyttäen ANSYSin APDL-ohjelmointikieltä toteutettiin funktiot, jotka suorittavat jännityspalautuksen ANSYSissä Virtual Enginen tuottamista tulostiedostoista. Lisäksi työssä muokattiin ANSYSissä dynaamisen tiivistyksen suorittavaa makroa siten, että jännityspalautus oli mahdollista toteuttaa.
Jännityspalautusmenetelmien toimivuutta arvioitiin mallintamalla kaksi eri tapausta. Ensin vertailtiin yksinkertaisen palkkimallin dynamiikkamallista modaalikoordinaatteihin perustuvalla jännityspalautuksella saatua tulosta suoraan FEM-ratkaisijalla laskettuun vertailutulokseen. Toisessa tapauksessa vertailtiin modaalista jännityspalautusta solmusiirtymiin perustuvaan jännityspalautukseen yksisylinterisen tutkimusmoottorin todellisen kampikoneiston kuormituksen alaisena.
Tulosten perusteella jännityspalautusmenetelmien toteutus onnistui, sillä palautetut tulokset täsmäävät toisiinsa ja elementtimenetelmällä laskettuun referenssimalliin lähes identtisesti. Tulosten samankaltaisuuden vuoksi palautusmenetelmä tulee valita esimerkiksi tietokonerajoitteiden tai palautettavien ajanhetkien lukumäärän perusteella. Tässä työssä käsiteltiin vain simuloinneista laskettuja tuloksia, mutta jatkossa kampiakselin dynaamisen kuormituksen mittauksilla voitaisiin validoida työssä käytetyillä menetelmillä saatuja jännitystuloksia.
Tässä työssä on tarkoituksena toteuttaa tieteellisesti luotettava ja käytännöllinen jännityspalautusmenetelmä AGCO Powerilla käytettyjen laskentaohjelmistojen välille. Työssä tutustutaan alan kirjallisuuden avulla mäntämoottorin kampikoneiston kuormituksiin ja monikappalejärjestelmien dynamiikkamallinnukseen. Lisäksi teoriaosuudessa käydään läpi mallinnusprosessissa käytettävä Craig-Bampton -menetelmään perustuva dynaaminen tiivistys. Tämän jälkeen kartoitetaan mahdolliset jännityspalautusmenetelmät ja niiden toteutettavuus ohjelmistojen asettamien rajoitteiden puitteissa. FEM-ohjelmistona käytetään ANSYSiä ja dynamiikkamallinnukseen FEV Virtual Engine -ohjelmistoa ADAMS-dynamiikkalaskentaohjelman kanssa.
Jännityspalautus toteutettiin kahdella tavalla: modaalikoordinaattien avulla ja alkuperäisen elementtiverkon solmujen siirtyminä. Käyttäen ANSYSin APDL-ohjelmointikieltä toteutettiin funktiot, jotka suorittavat jännityspalautuksen ANSYSissä Virtual Enginen tuottamista tulostiedostoista. Lisäksi työssä muokattiin ANSYSissä dynaamisen tiivistyksen suorittavaa makroa siten, että jännityspalautus oli mahdollista toteuttaa.
Jännityspalautusmenetelmien toimivuutta arvioitiin mallintamalla kaksi eri tapausta. Ensin vertailtiin yksinkertaisen palkkimallin dynamiikkamallista modaalikoordinaatteihin perustuvalla jännityspalautuksella saatua tulosta suoraan FEM-ratkaisijalla laskettuun vertailutulokseen. Toisessa tapauksessa vertailtiin modaalista jännityspalautusta solmusiirtymiin perustuvaan jännityspalautukseen yksisylinterisen tutkimusmoottorin todellisen kampikoneiston kuormituksen alaisena.
Tulosten perusteella jännityspalautusmenetelmien toteutus onnistui, sillä palautetut tulokset täsmäävät toisiinsa ja elementtimenetelmällä laskettuun referenssimalliin lähes identtisesti. Tulosten samankaltaisuuden vuoksi palautusmenetelmä tulee valita esimerkiksi tietokonerajoitteiden tai palautettavien ajanhetkien lukumäärän perusteella. Tässä työssä käsiteltiin vain simuloinneista laskettuja tuloksia, mutta jatkossa kampiakselin dynaamisen kuormituksen mittauksilla voitaisiin validoida työssä käytetyillä menetelmillä saatuja jännitystuloksia.