La culasse faisant partie des composantes d’un moteur à combustion interne, elle a pour rôle de résister à la fois aux chocs dus aux explosions et à la dilatation des pièces, d’étancher pour éviter toutes fuites des gaz vers l’extérieur et à la rentrée d’eau dans les cylindres. La non rentabilité d’un moteur thermique est un problème majeur dans son fonctionnement. Sa contribution à travers la maitrise du comportement dynamique de la culasse constitue l’une des solutions dans l’optimisation des performances de ce moteur. Ce dernier se subdivise en deux parties à savoir à combustion interne et à combustion externe. Le mode de fonctionnement, le mode de remplissage du cylindre, le type de combustible, le cycle adopté, le mode d’allumage, la formation de mélange, le cycle de fonctionnement, la vitesse du piston, le mode de refroidissement, sont les différents facteurs de classement de ce moteur thermique. Les différentes études faites sur les organes d’un moteur thermique à combustion interne se sont aussi étalées, sur le développement et la modélisation des efforts thermomécaniques dans le but de l’amélioration des caractéristiques et performances de ce moteur. Ainsi la culasse faite en matériau d’alliage d’aluminium ou de fonte est modélisée comme une plaque soumise à la pression maximale de combustion sur sa face interne et à une pression atmosphérique sur sa plaque externe, sans oublier la température maximale de combustion. La méthode analytique à travers les méthodes de mécaniques de milieux (MMC) et la méthode numérique à travers le logiciel de calcul MAPLE sont les principales approches de résolution. Les courbes obtenues à l’aide de ce logiciel de ces variables thermomécaniques qui sont celles de l’élasticité linéaire en fonction de la durée de combustion, permettent suivant les exigences thermiques et mécaniques de choisir le matériau adéquat.
Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : SYNTHESE DE LA LITTERATURE
1. Généralités sur les moteurs thermiques
1.1 Définition d’un moteur thermique
1.2 Histoire du moteur thermique
1.3Classification des moteurs
2. Modélisation et simulation d’un moteur diésel V8 avec le progiciel MATLAB SIMULINK
3. Etude et modélisation thermomécanique d’une bielle d’un moteur à combustion interne
4. Comportement thermo élastique d’un piston d’un moteur diésel à injection directe sous l’effet de la combustion
5. Détection des défauts et mode de réparation des blocs moteurs
CHAPITRE 2 : MODELISATIONS ET APPROCHES DE RESOLUTION
2.1 Présentation de la culasse
2.2 Modélisation et approche de résolution de la bielle
2.3 Modélisation et approche de résolution du piston
2.5 Modélisation et approche de résolution de la culasse
2.5.1 Equation thermique
2.5.2 Forme du vecteur déplacement
2.5.3 Tenseur gradient de déformations infinitésimales
2.5.4 Equation de Navier
2.5.5 Conditions limites sur les déplacements
2.5.6 Contraintes de Cauchy
2.5.7 Conditions limites sur les contraintes
2.5.8 Récapitulatif
2.5.9 Critère de Tresca
2.6 Méthodes et outils
2.6.1 Méthodes
2.6.2 Outils
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS
3.1 Résultats
3.1.1 Courbes et tableaux de température
3.1.2 Courbes de déplacement
3.1.3 Courbes de déformation
3.1.4 Courbes de contraintes
3.1.5 Vérification du critère de Tresca
Objectifs et thèmes de recherche
Cette étude a pour principal objectif de modéliser et de simuler le comportement dynamique d'une culasse de moteur à combustion interne afin d'optimiser le choix des matériaux entre l'alliage d'aluminium AS12 UNG et la fonte GS sous l'effet des charges thermomécaniques.
- Analyse bibliographique des composants des moteurs thermiques et de leur modélisation.
- Étude de l'élasticité linéaire tridimensionnelle et résolution analytique des équations thermiques.
- Application numérique à l'aide du logiciel MAPLE pour évaluer les températures, déplacements et déformations.
- Comparaison des performances mécaniques de différents matériaux (AS12 UNG, AS12 UNG renforcé par fibres et Fonte GS).
- Vérification de la stabilité de la culasse en s'appuyant sur le critère de Tresca.
Extrait du livre
2.5 Modélisation et approche de résolution de la culasse
La modélisation et l’approche de résolution de la problématique posée par la culasse issue du moteur diésel à injection directe (moteur Deutz de type F8L413) doivent être décomposées en plusieurs étapes, l’étude d’élasticité linéaire tridimensionnelle de la culasse, la simulation numérique avec le logiciel MATLAB, la présentation et discussions des résultats.
La culasse peut être modélisée comme un parallélépipède rectangle. La pression due à la combustion du moteur agira sur l’une des surfaces de ce parallélépipède. Cette modélisation se fera sur une chambre.
Compte tenu de la direction de la pression de la combustion qui est perpendiculaire à la culasse et à l’environnement du moteur, on peut définir les hypothèses suivantes agissantes sur la culasse :
La force de volume est nulle.
Le taux de chaleur fourni à distance du point de la configuration de référence est nul.
Les perturbations sont petites.
Résumé des chapitres
CHAPITRE 1 : SYNTHESE DE LA LITTERATURE : Ce chapitre présente une vue d'ensemble des moteurs thermiques, de leur historique, de leur classification ainsi que des travaux antérieurs portant sur la modélisation des différents organes comme la bielle et le piston.
CHAPITRE 2 : MODELISATIONS ET APPROCHES DE RESOLUTION : Cette partie expose la démarche théorique et mathématique, incluant la présentation géométrique de la culasse, les équations de la dynamique, de la thermique et de Navier, ainsi que l'application des conditions aux limites.
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS : Ce dernier chapitre détaille l'exploitation des courbes obtenues via le logiciel Maple, analysant les variations de température, les déplacements, les déformations et les contraintes, tout en validant la résistance des matériaux par le critère de Tresca.
Mots-clés
Modélisation, simulation, culasse, moteur à combustion interne, comportement dynamique, thermoélasticité, alliage d'aluminium, fonte GS, élasticité linéaire, contraintes thermomécaniques, équation de Navier, critère de Tresca
Foire aux questions
Quel est le sujet principal de ce mémoire de recherche ?
Le travail porte sur la modélisation et la simulation du comportement dynamique et thermomécanique de la culasse d'un moteur à combustion interne.
Quels sont les composants et les thématiques abordés ?
L'étude aborde les principes des moteurs thermiques, la résistance des matériaux, les transferts thermiques, l'élasticité linéaire tridimensionnelle et l'analyse par simulation numérique.
Quelle est la principale question ou l'objectif recherché ?
L'objectif est de maîtriser le comportement dynamique de la culasse et d'aider à choisir le matériau le mieux adapté (aluminium ou fonte) en fonction des contraintes et des déplacements.
Quelles méthodes scientifiques sont employées ?
Le travail combine des approches analytiques issues de la mécanique des milieux continus (MMC) et des méthodes numériques s'appuyant sur l'utilisation du logiciel de calcul Maple.
Que traite le corps principal du document ?
Le corps principal développe la synthèse bibliographique, la mise en équation mathématique du système (thermique, déplacement, déformation, contraintes de Cauchy) et la discussion des résultats graphiques.
Quels mots-clés caractérisent le mieux cette recherche ?
Les mots-clés principaux incluent la modélisation, la simulation, la culasse, les matériaux composites et le comportement thermoélastique.
Comment la culasse est-elle modélisée géométriquement dans l'étude ?
La culasse est modélisée sous la forme d'un parallélépipède rectangle, simulant l'action de la pression maximale de combustion sur sa face interne et de la pression atmosphérique sur sa face externe.
Quels types de matériaux sont comparés pour la fabrication de la culasse ?
L'étude compare l'alliage d'aluminium AS12 UNG, cet même alliage renforcé par des fibres, et la fonte GS (fonte graphite sphéroïdale).
Quel critère est utilisé pour valider la stabilité mécanique de la culasse ?
Il s'agit du critère de Tresca, qui permet de vérifier si les contraintes maximales calculées respectent les limites élastiques du matériau choisi.
Quelle conclusion générale les auteurs tirent-ils sur les matériaux ?
Il en ressort que la fonte GS présente une meilleure inertie thermique et des déformations plus faibles, tandis que d'autres matériaux offrent des comportements spécifiques face aux sollicitations globales.
- Quote paper
- Jules Fridolin Bayoi (Author), 2019, Modélisation et simulation du comportement dynamique de la culasse d'un moteur à combustion interne en matériau choisi : AS12 UNG, Fonte GS, AS12 UNG renforcé en fibres, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1773762
