Validazione mediante misure di durezza di una metodologia combinata CFD/FEM per la valutazione del carico termico su pistoni in lega di Al di un motore a combustione interna

In questo lavoro si presentano i risultati di un progetto di ricerca multidisciplinare, realizzato in collaborazione con l’azienda Ducati Motor Holding S.p.A., mirato allo sviluppo di una metodologia integrata di progettazione di componenti motore in lega d’alluminio, sollecitati ad elevate temperature. I risultati fanno riferimento allo studio di un pistone in lega AA2618 (Al-Cu-Mg) per motore motociclistico ad elevate prestazioni. Il pistone è stato identificato come il componente pilota per lo sviluppo e la validazione di una metodologia avanzata di simulazione CFD-FEM, finalizzata ad ottenere una corretta previsione del campo termico che si sviluppa all'interno del componente stesso, con successiva validazione dei risultati ottenuti attraverso una caratterizzazione microstrutturale e meccanica del componente. La metodologia sviluppata nel presente lavoro prevede l’interazione tra simulazioni CFD del processo di combustione e simulazioni FEM di diffusione termica nei componenti. La combustione è la principale sorgente di calore nel motore e viene simulata con un codice CFD tridimensionale di flussi reattivi (FIREv2008-AVL), utilizzando modelli avanzati di combustione (ECFM) e di previsione del calore perso a parete. L’imposizione della temperatura a parete viene fissata sulla base delle iterazioni effettuate con le simulazioni FEM di diffusione termica nei componenti motore. Il modello utilizzato per le analisi FEM di diffusione del calore riceve come input i risultati delle analisi di combustione. Sono stati valutati due diversi metodi per il trasferimento dei carichi termici dai modelli CFD ai modelli FEM: a) si è applicata sul cielo del pistone una distribuzione spaziale del flusso termico puntuale mediato sul ciclo motore; b) si è applicata, sul cielo del pistone, una combinazione di coefficienti di scambio termico e temperature dei gas, variabili spazialmente. Si è osservato come l'impiego di questo secondo metodo minimizzi il numero di iterazioni utili per ottenere la convergenza del campo termico calcolato all'interno del pistone. Lo smaltimento del calore attraverso le altre superfici del pistone è stato poi modellato applicando coefficienti di scambio termico e temperature di riferimento opportunamente calcolati. La validazione della metodologia CFD/FEM è stata effettuata attraverso misure di durezza in varie zone del pistone, dopo prove al banco. La determinazione sperimentale delle curve di degrado (durezza in funzione di temperatura e tempo di permanenza) e quindi delle mappe isodurometriche della lega AA2618 ha permesso, infatti, di valutare la temperatura puntuale raggiunta dal componente a partire dalla conoscenza del tempo di funzionamento del motore e della durezza locale.