|
|
Assessment of thermo-mechanical fatigue of exhaust manifold
Košťál, Josef ; Petruška, Jindřich (oponent) ; Šebek, František (vedoucí práce)
This master’s thesis deals with thermo–mechanical analysis and fatigue life prediction of the exhaust manifold. At first, a research study was carried out, in which the phenomenon of thermo–mechanical fatigue is reviewed. The main damage mechanisms and the modelling methods were presented. The specific behaviors of the materials subjected to thermo–mechanical loads were also covered. An overview of suitable material and fatigue life models was listed together with the algorithm of the fatigue life component prediction. Secondly, the theoretical background has been applied to the case study of the exhaust manifold subjected to thermo–mechanical loads. Two temperature-dependent elasto–plastic material models were calibrated and validated on the basis of experimental data, and the discretized finite element model of the exhaust manifold assembly was created. The model of the thermal boundary conditions was prescribed on the basis of steady state conjugate heat transfer analyses. One-way coupled thermal–mechanical finite element simulations were performed for each material model. A paradigm of uncoupled fatigue life model – suitable for low cycle fatigue – was used, hence the fatigue life prediction was evaluated in post-processing. Two fatigue life models were used – energy-based and strain-based. The obtained values of predicted fatigue life have been compared according to the material and fatigue life models which have been used. Lastly, the conclusions, the possibilities of further research and possible improvements are proposed and discussed.
|
|
|
Analýza konstrukce turbínové skříně z hlediska úniku tepla
Diakov, Jakub ; Lošák, Petr (oponent) ; Vlach, Radek (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá posouzením použitelnosti topologické optimalizace programu Ansys Workbench v kombinaci s termo-mechanickou únavou a nelineárním modelem materiálu turbínové skříně. V první části práce je provedena rešerše, která slouží k pochopení a teoretickému podložení praktické části. V rešeršní části je nejprve odůvodněn hlavní cíl práce, kterým je snížení úniku tepla z výfukových plynů, z důvodu dřívějšího zpracování spalin a nižší produkce emisí. V druhé kapitole rešerše je rozebrána konstrukce a funkce turbodmychadla z hlediska geometrie komponent, jejich výroby a použití. Následující kapitola se zabývá rozborem energetické a teplotní bilance turbodmychadla. V této kapitole jsou uvedena zásadní zjednodušení výpočetního problému, která jsou uplatněna v praktickém příkladu. V kapitole je dále rozebrána termo-mechanická únava, rozdělení oblastí únavy a přístupy pro predikci životnosti. Poslední kapitola rešeršní části se zabývá vybranými výpočetními oblastmi a jejich teoretickým základem. Je zde rozebrána analýza mechaniky tekutin a vybrané metody topologické optimalizace, které jsou dostupné ve zvoleném výpočetním programu. Na rešeršní část navazuje praktická část, ve které je řešen multifyzikální příklad optimalizace turbínové skříně z hlediska úniku tepla, která je vystavena termo-mechanické únavě. Praktická část, složená z několika kroků, vychází z analýzy proudění CFD, která je použita k získání teplotní podmínky pro výpočet transientní teplotní analýzy. Z vázané transientní teplotní analýzy je použito prostorové teplotní pole, které v důsledku roztažnosti materiálu způsobuje nehomogenní napjatost na turbínové skříni. Samostatná kapitola praktické části je věnována použitelnosti topologické optimalizace na odlišné typy úloh. Součástí této kapitoly je navržení metodiky pro stanovení napěťového omezení zvoleného typu topologické optimalizace. Předposlední kapitola v praktické části je věnována topologické optimalizaci turbínové skříně na základě předchozí deformačně napěťové analýzy a stanoveného omezení. V poslední kapitole je po úpravách geometrie provedena validace optimalizovaného tvaru skříně. Validace je provedena z hlediska ustálené teploty výstupních spalin, rychlosti ohřevu optimalizované geometrie a porovnání živostnosti z hlediska termo-mechanické únavy. Na konci práce jsou navrženy a diskutovány závěry, prostor pro zlepšení a možné navázání v dalším výzkumu.
|
|
|
Analýza konstrukce turbínové skříně z hlediska úniku tepla
Diakov, Jakub ; Lošák, Petr (oponent) ; Vlach, Radek (vedoucí práce)
Tato diplomová práce se zabývá posouzením použitelnosti topologické optimalizace programu Ansys Workbench v kombinaci s termo-mechanickou únavou a nelineárním modelem materiálu turbínové skříně. V první části práce je provedena rešerše, která slouží k pochopení a teoretickému podložení praktické části. V rešeršní části je nejprve odůvodněn hlavní cíl práce, kterým je snížení úniku tepla z výfukových plynů, z důvodu dřívějšího zpracování spalin a nižší produkce emisí. V druhé kapitole rešerše je rozebrána konstrukce a funkce turbodmychadla z hlediska geometrie komponent, jejich výroby a použití. Následující kapitola se zabývá rozborem energetické a teplotní bilance turbodmychadla. V této kapitole jsou uvedena zásadní zjednodušení výpočetního problému, která jsou uplatněna v praktickém příkladu. V kapitole je dále rozebrána termo-mechanická únava, rozdělení oblastí únavy a přístupy pro predikci životnosti. Poslední kapitola rešeršní části se zabývá vybranými výpočetními oblastmi a jejich teoretickým základem. Je zde rozebrána analýza mechaniky tekutin a vybrané metody topologické optimalizace, které jsou dostupné ve zvoleném výpočetním programu. Na rešeršní část navazuje praktická část, ve které je řešen multifyzikální příklad optimalizace turbínové skříně z hlediska úniku tepla, která je vystavena termo-mechanické únavě. Praktická část, složená z několika kroků, vychází z analýzy proudění CFD, která je použita k získání teplotní podmínky pro výpočet transientní teplotní analýzy. Z vázané transientní teplotní analýzy je použito prostorové teplotní pole, které v důsledku roztažnosti materiálu způsobuje nehomogenní napjatost na turbínové skříni. Samostatná kapitola praktické části je věnována použitelnosti topologické optimalizace na odlišné typy úloh. Součástí této kapitoly je navržení metodiky pro stanovení napěťového omezení zvoleného typu topologické optimalizace. Předposlední kapitola v praktické části je věnována topologické optimalizaci turbínové skříně na základě předchozí deformačně napěťové analýzy a stanoveného omezení. V poslední kapitole je po úpravách geometrie provedena validace optimalizovaného tvaru skříně. Validace je provedena z hlediska ustálené teploty výstupních spalin, rychlosti ohřevu optimalizované geometrie a porovnání živostnosti z hlediska termo-mechanické únavy. Na konci práce jsou navrženy a diskutovány závěry, prostor pro zlepšení a možné navázání v dalším výzkumu.
|
|
|
Assessment of thermo-mechanical fatigue of exhaust manifold
Košťál, Josef ; Petruška, Jindřich (oponent) ; Šebek, František (vedoucí práce)
This master’s thesis deals with thermo–mechanical analysis and fatigue life prediction of the exhaust manifold. At first, a research study was carried out, in which the phenomenon of thermo–mechanical fatigue is reviewed. The main damage mechanisms and the modelling methods were presented. The specific behaviors of the materials subjected to thermo–mechanical loads were also covered. An overview of suitable material and fatigue life models was listed together with the algorithm of the fatigue life component prediction. Secondly, the theoretical background has been applied to the case study of the exhaust manifold subjected to thermo–mechanical loads. Two temperature-dependent elasto–plastic material models were calibrated and validated on the basis of experimental data, and the discretized finite element model of the exhaust manifold assembly was created. The model of the thermal boundary conditions was prescribed on the basis of steady state conjugate heat transfer analyses. One-way coupled thermal–mechanical finite element simulations were performed for each material model. A paradigm of uncoupled fatigue life model – suitable for low cycle fatigue – was used, hence the fatigue life prediction was evaluated in post-processing. Two fatigue life models were used – energy-based and strain-based. The obtained values of predicted fatigue life have been compared according to the material and fatigue life models which have been used. Lastly, the conclusions, the possibilities of further research and possible improvements are proposed and discussed.
|
host ::
RSS.