3D mechanical and thermal analysis of an Aluminium piston for a high-speed Diesel laboratory engine

Abstract

A cast aluminium piston of a single cylinder Petter Diesel engine is modelled using the finite element method. The engine is intended to be supercharged, which will increase the thermal loading on the piston, and so the purpose of this work is to investigate the piston behaviour and strength when subjected to the current level of thermomechanical load. The dimensions of the piston and piston pin is measured, and the materials and boundary conditions are measured, calculated or assumed. Areas of particular interest were the combustion bowl rim and the piston pin boss. The latter was modelled using a contact interaction between the pin and boss, in order to accurately represent its behaviour. The final model is used to investigate the behaviour of the piston, locate the most critically stressed areas and the cyclical stress variations which may lead to fatigue. Local fatigue strength of the material is compared with local stress variations, and it is found that the piston is not exceeding its fatigue strength at any point and its expected lifetime should be quite high for the current loading of the engine.

Et støpt aluminiumsstempel til en en-sylindret Petter Diesel motor er modellert ved bruk av elementmetoden. Det er planlagt at motoren skal superlades, noe som vil øke den termiske belastningen på stempelet. Formålet med dette arbeidet er å undersøke stempelets oppførsel og styrke under den nåværende termomekaniske belastningen. Dimensjonene på stempelet er målt, og materialer og grensebetingelser er målt, beregnet eller antatt. Spesielt interessante områder er kanten på forbrenningsskålen, og navet til krysspinnen. Sistenevnte ble modellert ved bruk at en kontakt-interaksjon mellom navet og krysspinnen, for å få en nøyaktig fremstilling av oppførselen til navet. Den endelige modellen er brukt for å undersøke oppførselen til stempelet, finne de mest utsatte områdene, og de sykliske stressendringene som kan føre til utmatting. Den lokale utmattingsfastheten til materialet er sammenlignet med de lokale stressendringene, og det er funnet ut at stempelet ikke overskrider utmattingsfastheten sin på noe punkt, noe som antyder en relativt høy levetid for stempelet under den nåværende belastningen