Thermal analysis of functionally graded materials in cylinders and pistons based on super element method

تحليل حرارتي مواد هدفمند در استوانه‌ها و سمبه‌ها بر اساس روش اجزا برتر

در اين مقاله، تحليل حرارتي استوانه و سمبه در موتورهاي چهار استوانه‌اي، ساخته شده از مواد هدفمند، با استفاه از روش اجزا برتر، انجام شده است. هدف از بكارگيري مواد هدفمند در استوانه و سمبه، افزايش عملكرد آنهاست. مواد هدفمند شامل تركيبي از سفال ها و فلزات اند. در داخل استوانه، ماده از جنس سفال و در سطح خارجي آن، ماده از جنس فلز است. جنس روي تاج سمبه، سفال و سطح زيرين آن از فلز فرض شده است. اين تركيب باعث ايجاد خواص سايشي بهتر (بر اساس خواص سايشي سفال) مي شود. همچنين، اين تركيب باعث ايجاد محافظ گرمايي (براساس خواص ضعيف انتقال حرارت سفال) مي‌گردد. مزيت خواص سايشي براي سطح داخل استوانه و مزيت محافظ گرمايي براي سطح روي تاج سمبه مطرح است. نتايج تحليل تطابق مناسبي بين روش‌هاي اجزا محدود و اجزا برتر را نشان مي‌دهند. درحالي‌كه تعداد اجزا روش اجزا برتر بسيار كمتر از تعداد اجزا روش اجزا محدود، با همان دقت نتايج است. همچنين، نتايج نشان مي دهند كه مقدار توان مربوط به خواص مواد هدفمند، تاثير زيادي بر توزيع دما ندارد.

In the present article, the thermal analysis of the cylinder and the piston in four-cylinder engines, made of functionally graded materials (FGMs), has been performed by using the super element method. The objective of using FGMs in the cylinder and the piston is to increase their performance. FGMs include a combination of ceramics and metals. Inside the cylinder, the ceramic is considered and outside the cylinder, there is the metal. On the top area of the piston, it is consumed that there is the ceramic and on the bottom, there is the metal. This combination causes a better wear property (according to proper wear characteristics of the ceramic) and also makes a thermal barrier system (according to low heat transfer properties of the ceramic). The wear benefit is inside the cylinder and the thermal barrier benefit is on the top area of the piston. Obtained results indicate that there is a good agreement between finite element and super elements methods. However, the number of super elements is so lower than the number of finite elements with the same accuracy in results. In addition, the power value, which is related to material properties of FGMs, has no significant effect on the temperature distribution and the temperature gradient.