Analisi Termo-Meccanica a Fatica di un Motore Diesel Automobilistico

L’articolo presenta alcuni risultati relativi all’analisi termo-meccanica di un motore Diesel automobilistico. Lo studio è condotto utilizzando simulazioni disaccoppiate CFD e FEM allo scopo di valutare la resistenza a fatica del motore. Una metodologia semplificata per stimare la caratteristica termo-meccanica di testate motore soggette alle reali condizioni operative è stata proposta dagli autori in precedenti pubblicazioni [1,2], ed è ora affinata apportando rilevanti miglioramenti su entrambi i fronti di simulazione.Dal lato CFD, l’analisi CHT (conjugate heat transfer) include nel dominio di calcolo anche il metallo del basamento, dei componenti forzati della testa, nonché della guarnizione. Particolare cura è rivolta alla rappresentazione dello strato limite e all’applicazione delle condizioni al contorno termiche, in particolare alla distribuzione dei flussi termici tra i vari componenti motore. Al fine di massimizzare l’accuratezza delle previsioni CFD, sono valutati criticamente gli effetti dell’ebollizione del refrigerante sulla previsione dello scambio termico.L’accuratezza della previsione numerica viene valutata mediante confronto con misure sperimentali di temperatura in alcuni punti della testa per condizioni stazionarie di funzionamento del motore. I risultati delle simulazioni CFD, ed in particolare la distribuzione puntuale del flusso di calore all’interfaccia fluido/solido, sono trasferiti come condizione al contorno all’analisi termo-strutturale tramite una routine appositamente realizzata. Dal lato termo-meccanico, la principale novità introdotta è l’implementazione di un criterio di tipo energetico per la stima della resistenza a fatica a basso numero di cicli; tale criterio, utilizzato congiuntamente ai più classici criteri tensionali o deformativi, consente di disporre di uno strumento di progettazione capace di predire la resistenza delle singole parti del motore soggette ai differenti carichi agenti. Sono infatti analizzati carichi affaticanti sia ad alto sia a basso numero di cicli, e la metodologia proposta è applicata con successo per predire i possibili punti di innesco di fratture sulla testa e migliorare le caratteristiche del circuito di raffreddamento.