advanced simulation technologies MULTI-DISZIPLINÄRE THERMO-MECHANISCHE SIMULATION Antriebsstrangkomponenten müssen bei gleichzeitiger Kostenoptimierung stetig höheren Ansprüchen hinsichtlich Leistung und Lebensdauer gerecht werden. Durch eine Verknüpfung von AVL EXCITE™ und AVL FIRE™ können thermische Lasten nun wesentlich genauer berechnet werden. > Thermo-mechanische Belastungen bei Verbrennungsmotor. Downsizing und Downspeeding als aktuelle Trends in der Motorenentwicklung bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistung und des Drehmoments führen zu höheren mechanischen und thermischen Belastungen der Komponenten, bis hin zum Bauteilversagen. Besonders gefährdete Komponenten sind die Kolbengruppe, Zylinderkopf und Zylinderblock. Die numerische Simulation ermöglicht es, thermisch kritische Bereiche bei unterschiedlichen Betriebslasten frühzeitig zu erkennen und gegensteuernde Konstruktionsanpassungen zu definieren. Für eine verlässliche Vorhersage der Bauteiltemperaturen ist es erforderlich, die Wärmefreisetzung im Brennraum, den Wärmetransport durch die Struktur zum Kühlmittel sowie eine eventuelle Kühlung des Kolbens durch Spritzöl zu betrachten. Des Weiteren sind auch die Wärmeflüsse zwischen Kolben, Kolbenringen und der Zylinderbüchse sowie der durch Reibung zwischen Kolben, Ringen und Büchse zusätzlich generierte Wärmeeintrag zu berücksichtigen. Eine etablierte Methode zur thermischen Analyse des Kopf-Block- Verbandes ist die sogenannte Fluid/ Strukturkopplung: Hierbei werden mittels CFD-Software die Zylinderinnenströmung sowie die Strömung im Kühlwassermantel und die davon abhängigen Wärmeübergänge in die benachbarten Strukturen berechnet. Diese Ergebnisse dienen als Randbedingung für die Ermittlung des Wärmetransports und der Temperaturverteilung in den Motorbauteilen. Üblicherweise werden hierbei für den Wärmefluss zwischen Kolben, Kolbenringen und Zylinderbüchse Annahmen getroffen, die auf empirischen Modellen beruhen. Somit besteht ein hohes Risiko, die für eine Schadensvorhersage notwendige Genauigkeit der Ergebnisse nicht erreichen zu können. AVL hat aus diesem Grund die herkömmliche Berechnungsmethodik deutlich verbessert. Für die Ermittlung der Wärmeflüsse zwischen der Kolbengruppe und der Zylinderbüchse wird statt eines empirischen Ansatzes die Strukturdynamik-Software AVL EXCITE™ verwendet, welche mittels detaillierter physikalischer Modelle die Kolben- und Kolbenringkontakte berechnet. Damit werden auch die Abhängigkeit der Wärmeflüsse von Spaltweiten, Ölbenetzung im Spalt, Relativbewegungen, Reibungswärme und Temperaturdifferenzen zwischen den Bauteiloberflächen implizit berücksichtigt. Im Verbund mit der CFD-Software AVL FIRE™ ist somit eine durchgängige numerische Modellierung mit verbesserter Zuverlässigkeit und Genauigkeit möglich. Darüber hinaus kann mit AVL FIRE™ die Berechnung der Kühlmittelströmung und des Temperaturfeldes in den Motorbauteilen simultan erfolgen – eine wesentliche Vereinfachung, da eine zusätzliche Finite-Elemente- Analyse entfällt. < F O C U S 2 1
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