طراحی و ارزیابی المان محدود واشر سرسیلندر فولادی چند‌لایه نانوکامپوزیتی با هسته‌ی دارای ماده‌ی تغییر فاز (PCM) برای بهبود عملکرد حرارتی و مکانیکی در موتورهای احتراق داخلی

Abstract

در این پژوهش، طراحی و ارزیابی دقیق المان محدود یک واشر سرسیلندر فولادی چندلایه (MLS) نانوکامپوزیتی با هسته‌ی حاوی ماده تغییر فاز (PCM) با هدف بهبود عملکرد حرارتی و مکانیکی در موتورهای احتراق داخلی انجام شد. مدل سه‌بعدی واشر با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Workbench 2024R1 تحت شرایط مرزی واقعی شامل فشار گاز احتراق (8–10 MPa) و دمای گاز 400°C مدلسازی شد. برای بررسی اثر نانوذرات (Al₂O₃ و h‑BN) در ماتریس ساقه‌ای PCM از رویکرد ترکیبی حرارتی-سازه‌ای استفاده گردید. نتایج نشان داد افزودن 5٪ نانوذرات و استفاده از PCM پارافینی با دمای ذوب 125°C موجب کاهش پیک حرارتی 21°C و افت تنش ماکزیمم تا 12٪ نسبت به واشر فولادی مرجع گردید. تحلیل چرخه‌ای نشان داد ظرفیت ذخیره‌سازی گرمای نهان PCM باعث پایداری دمایی در تکرار احتراق‌ها و افزایش عمر خزشی واشر تا حدود 1.6 برابر شد. بنابراین، به‌کارگیری ساختار PCM–Nano در واشرهای چندلایه می‌تواند راهکاری مؤثر برای افزایش دوام حرارتی و مکانیکی در موتورهای نسل جدید باشد.