REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE M IN IS TE RE DE L’ E NS E IG NE M E N T S UP E R IE UR E T DE LA RE C HE RC HE S C IE N T IF IQ UE Université Hassiba Benbouali Chlef F ac ul t é de s S c i enc es et S c i enc es de l ’ I ng éni eur Dép art e m ent d e M éc ani qu e Éc o le D oc t or a le Mémoire en vue de l’obtention du diplôme de magister Spécialité : Mécanique Option : Simulation Mécanique Présenté par : MECHALIKH Mustapha Simulation thermomécanique d’un piston de moteur diesel à injection directe par le logiciel abaqus: Influence du matériau Présenté le 30/ 06/ 2010 devant le jury composé de : Loukarfi Larbi Professeur Président Aiad Abdelkrim MC/A Examinateur Zahloul Hamou MC/A Examinateur Bettahar Ahmed Professeur Encadreur Benhamou Abdessoufi MA/A Co-encadreur Table des matières Remerciements ……………………………………………………………..……………..I Liste des symboles………………………………………………….…………………......II Liste des figures……………………………………………...……………………………III Liste des tableaux ………………………………………………………………………....V Résumé ……………………………………………………………………………………..1 Introduction générale ……….…………………………………………………….………...4 Chapitre -I-: Étude bibliographique sur les pistons de moteurs diesel 1.1 Introduction ……………………………………..…………………………………12 1.2 Études expérimentales dans le piston …………………………................................12 1.2.1 Champ de températures dans le piston ……………………………………………..12 1.2.2 Flux thermiques aux parois du piston ……………………………………………...13 1.2.3 Transfert de chaleur entre le piston et l’huile de refroidissement ……...................13 1.2.4 Transfert de chaleur entre le piston, les segments et le cylindre …..………………14 1.3 Modèles décrivant champ de température dans le piston ….………………………15 1.3.1 Modèles analytiques …………..……………………………………………………15 1.3.2 Modèles rhéologiques………………………………………………………………16 1.3.3 Modèles numériques ...……………………………………………………………..16 1.4 Modélisation des transferts thermiques entre les gaz de combustion et les parois de la chambre …………………………………………………..……….19 1.4.1 Modélisation utilisant un coefficient d’échange globale …………………………..20 1.5 Études des contraintes et des déformations dans les pistons ………………………23 Chapitre –2- : Théorie de calcul des contraintes thermomécaniques dans ………………...les pistons 2.1 Introduction ………………………………………………………………………...29 2.2 Mise en équation du problème………………………………………………………30 2.2.1 Calcul de la distribution de la température ………………………………………. 30 2.2.2 Calcul de la distribution de la pression …………………………………………….34 2.2.3 Calcul des contraintes thermomécaniques et des déformations …………………....35 2.3 Formulation de la méthode des éléments finis pour l’analyse du transfert de chaleur ………dans le piston ………………………………………………………………………...40 2.3.1 L’élément fini tétraédrique à 4 nœuds …………………………………………...45 2.4 Formulation variationnelle du problème Thermomécanique tridimensionnel……50 2.4.1 Principe de l’énergie potentielle à déformation minimale……………………….50 2.4.2 L’élément fini tétraédrique à 4 nœuds ……………………………………………54 Chapitre 3: Simulation thermomécanique du piston. 3.1 Introduction ………………………………………………………………………. 59 3.1.1 Le logiciel de calcul Abaqus/CAE ………………………………………………. 59 3.2 Méthodologie de simulation de piston……………………………………………..60 3.2.1 Objectif …………………………………………………………………………… 60 3.2.2 Hypothèses de simulation …………………………………………………………60 3.2.2.1 Hypothèses géométriques ………………………………………………………..60 3.2.2.2 Hypothèses de comportements physiques ……………………………………… 61 3.2.3 Construction du modèle géométrique …………………………………................62 3.2.4 Conditions de chargement thermiques ….……………………………………….. 62 3.2.5 Conditions de chargement mécaniques du piston …………………………………69 3.2.6 Conditions aux limites ……………………………………………………………..69 3.2.5 Maillage ……………………………………………………………………………71 3.2.6 Résolution du problème ……………………………………………………………71 3.2.6.1 Calcul des champs de température et de contraintes thermiques …..………….....71 3.2.6.2 Calcul des contraintes mécaniques ……………………………………………….72 3.2.6.3 Calcul des contraintes thermomécaniques.. ………………………………………72 Chapitre 4: Présentation et discussions des résultats 4.1 Introduction ………………………………………………………………………….74 4.2 Répartition du champ de températures dans le piston ….……………………………74 4.3 Répartition du champ de contraintes thermiques dans le piston ……………………..77 4.4 Répartition du champ de contraintes mécaniques dans le piston …………………….78 4.5 Répartition du champ de contraintes thermomécaniques dans le piston…………….. 80 4.6 Analyse des déplacements ……………………………………………………………84 Conclusion générales et perspectives ..…………………………………………………….93 Bibliographie ..………………………………………………………………………….…94 Annexes…………………………………………………………………………………….98 Remerciements Je tiens à exprimer tout d'abord mes sincères remerciements à mon promoteur, le professeur Bettahar Ahmed et mon co-promoteur benhamou Abdessoufi qui ont bien voulu me diriger et suivre mon travail. À tous les enseignants de mécanique qui ont participé à ma formation durant toutes ces années d'études. Au président et aux membres de jury. Et à tous ceux qui ont contribué de prés ou de loin à la réussite de ce travail Mechalikh Mustapha I Liste Des Symboles LATINS : C Chaleur spécifique [J/kg C°[ p D Matrice d’élasticité - E Module de Young [Mpa[ g Accélération de la posanteur [m/s2] H Cœfficient d’échange thermique ] W/mm2 C° [ K Coefficient de conductivité thermique [W/mm C°[ L Longueur caractéristique m N Fonction d’interpolation - N Nombre de Nuselt - u P Coefficient de Prandtl - r q Flux de chaleur [W/mm2[ R Nombre de Reynolds - e S Surface [mm2[ T Température [C°[ T Température ambiante [C°[ ∞ T Température des gaz [C°[ g U Déplacement [mm[ Ue Déplacement d’un élément [mm[ V Vitesse [m/s] V Vitesse caractéristique [m/s] c GRECQUES : α coefficient de dilatation thermique [K-1] ν coefficient de poisson -  Masse volumique [kg/m3]  Vitesse angulaire [rad/s]  Contrainte mécanique [N/mm2] mec  Contrainte thermique [N/mm2] mec  Contrainte tangentielle [N/mm2]  Viscosité dynamique [kg/m.s] II LISTE DES FIGURES fig.1.1 Champ de température dans un piston en aluminium pour moteur diesel à injection direct fig.1.2 Modèle thermique du piston fig.1.3 Distribution des contraintes dans la tête du piston VALENTA fig.1.4 Diagramme contrainte-température à la surface de la tête due à un changement brusque de régime fig.1.5 Déformation thermique radiale du piston fig.1.6 Modèle thermique du piston à tête articulée fig.I.7 Distribution du champ de température et du champ de contraintes fig.2.1Un corps 3 dimensions soumis à une température limite T (x,y,z) ∞ fig.2.2 Bilan de chaleurs entrantes-sortantes d’un volume élémentaire fig.2.3 Echange thermique entre le piston et son environnement fig.2.4 Distribution de pression des gaz de combustion dans le piston fig.2.5 Courbe de distribution de pression en fonction de l’angle du vilebrequin fig.2.6 Discrétisation d’un domaine V en éléments finis fig.2.7 Elément fini tétraédrique fig.2.8 Coordonnées de volume pour le tétraèdre fig.2.9 Elément discrétisé avec numérotation des nœuds fig.2.10 Représentation de Coordonnées naturelles de l’élément triangulaire fig.2.11 Représentation de l’élément tétraédrique à 4 nœuds fig.3.1 Forme réelle du piston fig.3.2 Représentation des dimensions du piston fig.3.3 Forme de base pour construire le piston fig.3.4 Révolution de la forme de base fig.3.5.a La nervure avant l’élongation vers la jupe fig.3.5.b La nervure après l’élongation vers la jupe fig.3.6 Gorges des segments fig.3.7 L’augment de l’axe fig. 3 8 Trois quart du piston fig.3.9 Distribution du coefficient de transfert et des températures ambiantes sur les frontières du piston fig.3.10 Application de la pression des gaz de combustion fig.3.11 Conditions aux limites du piston fig.3.12 Maillage du piston fig.4.1 Validation de la distribution du champ de température sur le piston en AS12 UNG fig.4.2 Distribution du champ de températures sur le piston fig.4.3 Distribution de la température sur le fond du piston fig.4.4 Répartition des champs de contraintes thermiques dans le piston (Pa) III fig.4.5 Distribution de la pression des gaz de combustion sur le piston fig.4.6 Répartition des champs de contraintes mécaniques dans le piston (Mpa) fig.4.7 Répartition du champ de contraintes thermomécaniques dans le piston fig.4.8 Répartition du champ de contraintes thermomécaniques sur le fond du piston fig.4.9 Points spécifiques à étudier fig.4.10 Valeurs des contraintes thermomécaniques sur les points choisis sur la tête du piston fig.4.12 Valeurs des contraintes thermomécaniques dans le piston fig.4.13 Déplacement (u ) 1 fig.4.14 Déplacement (u ) 2 fig.4.15 Déplacement (u ) 3 fig.4.16 Déformée globale U fig.4.17 Déformée globale U sur le plan du battement fig.4.18 Déformée globale U de la paroi externe du plan de battement fig.4.19 Déformée globale U sur le plan de l’axe du piston fig.4.20 Déformée globale U de la paroi externe du plan de l’axe du piston fig.A1 Cycle théorique du moteur Diesel IV Liste des tableaux Tableau 3.1 Caractéristiques des matériaux utilisés dans la fabrication des pistons Tableau 3.2 Coefficient de transfert thermique entre le piston et son environnement Tableau 4.1 Valeurs des températures et des contraintes thermomécanique pour les points spécifies Tableau A1 Caractéristiques générales du moteur F8L413 Tableau A2 Paramètres thermodynamiques du moteur F8L413 V Résumé : L’objectif principal de cette étude est d’apprécier le choix du matériau du piston d’un moteur diesel à injection directe en se basant sur les contraintes thermo-mécaniques et les déformations Nous avons axé notre étude sur le piston du moteur Deutz de type F8L413 dont la forme de la cavité est cylindro-sphérique. A cet effet, la méthode de calcul des contraintes utilise les éléments finis dont la résolution a été faite numériquement à l’aide du logiciel Abaqus, conçu pour les calculs des structures. Par la suite une analyse des déformations pour chaque matériau a été faite. Les résultats obtenus ont été comparés pour choisir le piston qui a la meilleure performance. 1