análisis térmico y estructural a un pistón previamente diseñado en un software de elemento...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE INGENIERÍA

CAMPUS GUANAJUATO

INGENIERÍA AERONÁUTICA

GRUPO 6AM1

Diseño de elementos mecánicos

Raúl García

Análisis térmico y estructural de un pistón

Valladares Hernández Julio César

Marzo de 2012


CAMPUS GUANAJUATO Diseño de elementos mecánicos


6AM1 Valladares Hernández Julio César

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Objetivos

Realizar un análisis térmico y estructural a un pistón previamente diseñado en un software

de elemento finito (ANSYS)

Introducción

Aluminio de la serie 4xxx

En esta serie el principal elemento aleante es el Si que suele añadirse en cantidades

medianamente elevadas (por encima del 12%) para conseguir una bajada del rango de fusión

de la aleación. El objetivo es conseguir una aleación que funda a una temperatura más baja

que el resto de aleaciones de aluminio para usarlo como elemento de soldadura. Estas

aleaciones en principio no son tratables térmicamente pero si son usadas en soldadura

para soldar otra aleaciones que son tratables térmicamente parte de los elementos

aleantes de las aleaciones tratables térmicamente pasan a la serie 4xxx y convierten

una parte de la aleación en tratable térmicamente. Las aleaciones con un elevado nivel de Si

tienen un rango de colores que van desde el gris oscuro al color carbón y por ello están

siendo demandadas en aplicaciones arquitectónicas. La 4032 tiene un bajo coeficiente de

expansión térmica y una alta resistencia al desgaste lo que la hace bien situada para su uso en la

fabricación de pistones de motores.

Procedimiento

Las medidas del modelado del pistón en ANSYS fueron basados en un motor de 4T de 6 litros para

autos de carreras, el cual tiene el diámetro igual a la carrera por lo que se obtiene de la siguiente

forma:

𝐷 = 𝑆

𝑉𝑐 = 𝐴 ∙ 𝑆 =𝜋𝐷2𝑆

4=𝜋𝐷3

4

𝐷 = 500 × 4

𝜋

3

= 8.6 𝑐𝑚

𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒

𝐷 → 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜

𝐴 → 𝐶𝑎𝑟𝑟𝑒𝑟𝑎

𝑉𝑐 → 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜

𝐷 → 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛

Con ese valor de diámetro se realizo el modelado de un pistón en ANSYS utilizando las siguientes

propiedades del material para realizar el análisis térmico y estructural.

Propiedades del aluminio 4032

Propiedad Valor

Modulo de elasticidad (GPa) 79

Expansión térmica (1/°C) 19.4x10-6

Calor especifico ( J/Kg*K) 850

Conductividad térmica (W/m*k) 154

Modulo de Poisson 0.33

Ilustración 1.- modelo solido del pistón a analizar





1

Ilustración 2.- Mallado del pistón utilizando el elemento solid 95





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Análisis estructural

Para el análisis estructural, se le aplica una fuerza de 1675060 Pa en la cabeza del pistón en

dirección del eje Y como se indica con rojo en la ilustración 3 simulando la PME de la explosión del

motor analizado, en el momento en el que el pistón se encuentra en el PMS(al iniciar la explosión),

además se restringe el movimiento del pistón en el cuerpo del pistón hacia los ejes x,z para así

solo permitir el movimiento del mismo en el eje y. además se restringe el movimiento en la parte

superior de donde se coloca el bulón para simular la presencia de la biela

Ilustración 3.- carga aplicada al pistón y restricciones utilizadas para el análisis estructural





3

Ilustración 4.- desplazamientos presentados en el pistón después de aplicar la PME producida por la explosión





4

Ilustración 5.- esfuerzos del pistón por Von Misses después de aplicar la PME debida la explosión





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Análisis de resultados

Respecto a las deformaciones podemos observar que en la parte central de la cabeza del pistón se

encuentra la máxima deformación de 0.00629 mm como se puede observar en la ilustración 4,

esto debido a que la presión se aplica directamente en esta cara, lo cual es un valor aceptable

debido a que a pesar de las presiones provocadas por la explosión, el material no se deforma casi

nada, por lo que nos aseguramos que no sobrepasa el límite elástico. Además podemos notar

como la deformación en donde va el bulón es prácticamente nula debido a la reacción de la biela.

Respecto al análisis de los esfuerzos encontrados en el pistón por Von Misses, observamos que los

concentradores de esfuerzo debido a los bulones tienen como máximo un valor de 22.14 MPa

(ilustración 5), y los valores debidos a los concentradores de esfuerzo por los anillos y los ángulos

pronunciados en la parte interior del cilindro llegan hasta valores de 33.19 MPa (ilustración 5), por

lo que se debe tener cuidado con la geometría de estas partes para así reducir los esfuerzos, ya

que podemos notar que en las demás partes del pistón se encuentran entre 0.34-3.71 MPa

(ilustración 5).





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Análisis térmico

Para el análisis térmico, se le aplica un coeficiente de convección térmica de 450𝑊

𝑚2𝐾 con una

temperatura máxima de 1120 K en la parte superior de cabeza del pistón en dirección del eje Y

como se indica con rojo en la ilustración 6 simulando la convección de la explosión del motor

analizado, y un coeficiente de convección térmica de 5𝑊

𝑚2𝐾 con una temperatura máxima de 320 K

en la parte inferior de la cabeza del pistón y en el interior del cilindro indicado con azul en la

ilustración 6. Estos valores se consideran en el momento en el que el pistón se encuentra en el

PMS(al iniciar la explosión). Los valores de los coeficientes de convección térmica fueron tomados

de un artículo sobre el análisis de la transferencia de calor en la cabeza de un motor, el cual se

puede analizar más a fondo en las fuentes consultadas.

Ilustración 6.- coeficientes de convección aplicados en la parte superior e inferior de la cabeza del pistón





7

Ilustración 7.-Temperaturas presentadas en el pistón debidos a la convección de los fluidos presentes en la explosión





8

Ilustración 8.- Gradiente térmico presentado en el pistón debidos a la convección de los fluidos presentes





9

Ilustración 9.- vectores mostrando la dirección del gradiente térmico

Análisis de resultados

Respecto a las temperaturas podemos observar que en la parte central de la cabeza del pistón se

encuentra la temperatura de 1107 K como se puede observar en la ilustración 7, esto debido a que

la explosión se aplica directamente en esta cara, lo cual es un valor aceptable debido a la

temperatura máxima provocada por la explosión es de 1120K y esperamos que esta cara reciba

toda esta transferencia de calor ya que consideramos que las paredes del cilindros actúan de

forma adiabática.

Respecto al análisis del gradiente de temperatura, observamos el flujo de calor se da de una

manera más rápida en las zonas con mejor espesor como lo son los anillos (ilustración 8), esto

debido a que el calor tarda menos tiempo en transferirse el calor por estas zonas, presentando

valores de hasta 173.9 𝑊

𝑚2𝐾 . También podemos observar que en la falda del pistón la transferencia

es mínima con valores de 0.015𝑊

𝑚2𝐾 , esto debido a que el calor ya se alcanzo a transferir a través

del pistón hacia los gases que se encuentran en el interior del mismo antes de que la temperatura

presentada por la explosión alcance estas partes del pistón.





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Fuentes consultadas

http://www3.fs.cvut.cz/web/fileadmin/documents/12241-BOZEK/publikace/2003/U2051_aed_2003.pdf

(propiedades de convección térmica en motores de combustión interna)

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=wrought_aluminum-silicon_alloy_4032

(propiedades del aluminio 4032)

http://www3.fs.cvut.cz/web/fileadmin/documents/12241-BOZEK/publikace/2003/U2051_aed_2003.pdf

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=wrought_aluminum-silicon_alloy_4032





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Anexos

Propiedades del aluminio 4032





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Coeficientes de transferencia de calor de un motor de combustión interna para la realización del

análisis térmico.

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