Seramik kaplı pistonlarda termal gerilmelerin sonlu elemanlar metoduyla belirlenmesi

Abstract

Mühendislik problemlerinin çözülmesinde sayısal metotlar son yıllarda sıklıkla uygulanmaktadır. En çok bilinen ve kullanılan sonlu elemanlar yöntemidir. Sonlu elemanlar metodu, son yirmi yılda bilgisayar destekli tasarımın vazgeçilmez bir parçası olmuştur. Özellikle hızlı ve güvenilir biçimde gerçekleştirilmesi gereken mukavemet analizlerinde, malzemenin tahribatını gerektirecek deneyimlerin bilgisayarlı tahribatsız olarak gerçekleştirilmesinde, çok sayıda tekrar gerektiren hesaplamalarda bu metodun sağladığı faydalar tartışılmazdır. Bu çalışmada, bu metodun seramik kaplı dizel ve benzinli pistona uygulanması ele alınmıştır.Bu çalışma ile dizel ve benzinli motor pistonunun ANSYS programında modellenmesi, kalınlığı ve genişliği değişen çeşitli kademelerde ?Termal Bariyer? MgZrO3, NiCrAl malzeme kaplanmalarının oluşturulması, sınır şartlarının tanımlanması ve ANSYS programı içerisinde termal gerilme analizleri gerçekleştirilmiştir.Piston üzerine homojen kaplanabilen ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilen ?Termal bariyer? kaplamalar; yanma odası sıcaklığını artırarak sistemin verimini de artırmaktadır. Bu kaplamaların sahip olduğu en büyük dezavantaj, kaplamanın yapıldığı ana metal ile arasındaki termal genleşme katsayıların farkından dolayı oluşan gerilmelerdir. Bu gerilmeler piston ve termal bariyer arasında çatlakların, ayrılmaların oluşmasına neden olmaktadır. Söz konusu çatlakları ve ayrılmaları önlemek için fonksiyonel derecelendirilmiş kaplamalar uygulanmaktadır. Çalışmalar sonunda elde edilen değerler ile piston yüzey sıcaklığının düştüğü, seramik kaplanmış pistonun son derece avantajlı olduğu ve tabakalı kaplamanın oluşan termal gerilmeler yönünden avantajlı olduğunu yapılan çalışma sonunda görülmüştür.

Recently, numerical methods are commonly employed in solution of engineering problems. Finite elements method (FEM) is the most widely used one among the other methods. In the last twenty years, FEM has become an unargued part of computer aided design process. Making use of FEM provides fast and reliable solutions for structural design problems and less number of destructive tests are required. In this study, FEM is used in order to analyses ceramic coated diesel and gasoline engine pistons.In the study, diesel and gasoline engine pistons are modeled in ANSYS software. Thermal barrier coatings of MgZrO3 and NiCrAl with different thickness and width values are created on the pistons. Furthermore, the boundary conditions are defined. Consecutively, thermal stress analyses are performed with ANSYS. Homogenously coated thermal barriers on the pistons can work at high temperatures and increase the efficiency of the system by resisting high temperatures in combustion chambers. However, the most significant drawback of thermal barrier coating is the thermal stresses introduced due to the difference between expansion coefficients of base and coating materials. The thermal stress brings about cracks and separation between the piston and the coating. Thus, in order to figure out this problem functionally graded coating are applied. The results of this study reveals that, the surface temperature of pistons are degraded by using thermal barrier coatings. Besides, the coated pistons are advantageous in application. In addition, layered coating is a functional method for thermal stress.