Analyse CFD et FEM Ansys d'une culasse de moteur de bateaux

Le développement moderne de moteurs doit concilier aspects économiques et normes technologiques exigeantes. Le développement chez MAN Diesel SE visait à réduire le poids d'un moteur de bateau grâce à un nouveau design. CADFEM a utilisé des outils de simulation Ansys pour vérifier si le design plus efficace de la culasse résistait aux contraintes, en gardant une durée de vie semblable, malgré un poids plus faible. Cela permettrait d'augmenter significativement la rentabilité. Pour garantir la résistance à la fatigue du moteur, des analyses de fatigue sont effectuées sur la base des contraintes statiques et cycliques, en tenant compte du cycle de combustion, et de son influence thermomécanique sur la résistance à la fatigue, ainsi que des contraintes statiques dues à l'emmanchement ou à la précontrainte. Les analyses par éléments finis déterminent de manière fiable les contraintes thermomécaniques dues au processus de compression du mélange air-carburant, à la combustion, à la sortie des gaz d'échappement et à l'entrée du mélange air-carburant. L'analyse tient compte du processus de refroidissement du moteur en combinaison avec le cycle de combustion ainsi que de l'interaction thermique entre le fluide et la structure dans la culasse.

L'analyse complexe du comportement du moteur fournit des informations sur la pression de contact et les éventuelles formations de fentes au cours du cycle de combustion. Ces informations sont utilisées pour exclure, dès la phase de conception, tout effet indésirable sur le comportement thermomécanique du moteur et de ses différentes pièces.

Une analyse CFD avec Ansys CFX, couvrant le processus de refroidissement et de combustion, détermine le comportement thermique à l'intérieur du moteur et fournit la base d'une analyse ultérieure de contraintes. Cette analyse mécanique implique plusieurs cas de charge décrivant le cycle de combustion, ainsi que les propriétés des matériaux en fonction de la température et les contacts non linéaires dans un modèle complet d'éléments finis (3 200 000 nœuds et 60 régions de contact non linéaires). Pour une analyse ultérieure de la durée de vie, les contraintes thermomécaniques dans les zones critiques du moteur sont déterminées dans une simulation Ansys FE, non linéaire. D'autres résultats se concentrent sur le comportement de contact et la déformation des différentes pièces et de l'ensemble du modèle.