اهتزازات غطاء المحرك... كيف يتم علاجها من قبل الشركات المصنعة

السيارات جزء واسع الانتشار من الحياة الحديثة وصناعة السيارات في العديد من الدول هي جزء أساسي من اقتصادها، في المقال التالي اهتزازات غطاء المحرك... كيف يتم علاجها من قبل الشركات المصنعة.

اهتزازات غطاء المحرك.

يجب أن تواكب أحدث تصميمات السيارات التغييرات في كل من التكنولوجيا والتشريعات. يتمثل أحد المجالات الرئيسية للبحث والتطوير في تقليل وزن المركبات لتقليل انبعاثات الكربون والوصول إلى الأهداف المرجوة. تحدد تشريعات السلامة أيضا كيف يجب أن يتصرف جسم السيارة في حالة اصطدام المشاة. يخضع جزء واحد من السيارة بشكل خاص لهذه المشكلة وهو: غطاء المحرك. حيث يعتبر لوحة كبيرة ومسطحة، وهو هدف رئيسي للاصطدام، وكونه في مقدمة السيارة، فمن المرجح أن يصطدم بالمشاة. ومع ذلك، يجب على التصميمات أيضا أن تمنع الهواء المضطرب الذي تولده السيارة التي أمامها مما يتسبب في اهتزاز غطاء المحرك بشكل مفرط وهو تأثير يُعرف باسم "رفرفة غطاء المحرك".

عندما يتعلق الأمر بتصميم أغطية خالية من الرفرفة، والتي تلبي أيضا المعايير الأخرى، يلجأ مصنعو السيارات، مثل جاكوار لاند روفر، إلى الرياضيات. يمكن اختبار الأغطية الجديدة على حلبة السباق، لكن هذا سيتطلب عدة إصدارات من غطاء المحرك ليتم تصنيعها ووضعها في خطواتها. باستخدام مجال الرياضيات يسمى ديناميكيات السوائل الحسابية، يمكن للمهندسين اختبار التصاميم المحتملة في الكمبيوتر، مما يوفر الوقت والمال. تعد النمذجة الحاسوبية الرياضية جزءًا واحدًا فقط من ميزانية البحث والتطوير السنوية لجاكوار لاند روفر البالغة 1.5 مليار جنيه إسترليني.

اختبار الهندسه الهوائية.

يحتاج المهندسون أولاً إلى تصميم نموذج للهواء المتدفق فوق السيارة. تقع السيارة الافتراضية في مكعب يحتوي على خطوط شبكية. يتم التعامل مع الهواء كمجموعة من الجسيمات القادرة على التفاعل مع بعضها البعض. قد تمثل الجسيمات داخل النموذج العديد من جسيمات الهواء الفعلية. يتم تعيين قيمة لكل جسيم لسرعته وموقعه في المكان والزمان. تُستخدم بعد ذلك معادلة، تُعرف باسم معادلة بولتزمان، لإعطاء خريطة للمكان المحتمل أن تكون فيه الجسيمات بعد أي وقت معين.

من خلال تشغيل هذه المعادلات من خلال جهاز كمبيوتر، وربط هذه الخرائط اللحظية معا، يمكن للمهندسين إنشاء رسم متحرك لتدفق الهواء المحتمل فوق السيارة. نظرا لجلوس السيارة في شبكة، واستخدام معادلة Boltzmann، تُعرف هذه التقنية باسم طريقة Lattice Boltzmann. يكمن جمال استخدام محاكاة الكمبيوتر الرياضية في أنه يمكن للمهندسين تشغيل سيناريوهات مختلفة - مثل إضافة مركبة ثانية - ونمذجة التأثير على تدفق الهواء فوق السيارة.

الخطوة التالية هي حساب تأثير تدفق الهواء النموذجي على سطح السيارة. أولاً، يتم تقسيم السطح إلى خلايا صغيرة بحجم 2.5 مم. تسمح طريقة Lattice Boltzmann للمهندسين بالتنبؤ بعدد الجسيمات التي ستلمس كل خلية في أي وقت. هذا يسمح لهم بحساب الضغط المحتمل على كل جزء صغير من السيارة. يمتلك المهندسون الآن خريطة ضغط مفصلة للغاية على كامل سطح السيارة ويمكنهم رؤية كيف يتغير هذا الضغط بمرور الوقت حيث يتدفق الهواء السلبي من السيارة في الأمام فوقها.

اختبار غطاء المحرك.

عندما يتعلق الأمر بغطاء المحرك نفسه، فقد تم تصميمه باستخدام منطقة من الرياضيات تسمى تحليل العناصر المحدودة. يساعد ذلك في تقسيم غطاء المحرك إلى شبكة تتضمن عناصر تمثل هيكلها والتثبيتات، مثل المزلاج والمفصلات. الخلايا في هذه الشبكة أكبر من الخلايا الموجودة في خريطة الضغط الأصلية. يتم بعد ذلك ملء الشبكة ببيانات من خريطة Lattice Boltzmann الأصلية لإظهار الضغط على كل جزء من غطاء المحرك.

ستؤدي الاختلافات في الضغط على غطاء المحرك إلى اهتزازه ويمكن للنموذج الكشف عن التردد المحتمل لهذا الاهتزاز. لكل نظام "تردد طنين" خاص به التردد الذي يهتز به النظام أكثر من غيره. يمكن تحطيم الزجاج إذا تعرض لصوت مستمر بتردد الرنين الخاص به، على سبيل المثال. في حالة غطاء محرك السيارة، ستكون رفرفة غطاء المحرك في ذروتها إذا تسبب الهواء المضطرب القادم من السيارة في الأمام في اهتزاز غطاء المحرك بتردد رنين له.

يتيح استخدام نماذج الكمبيوتر الرياضية هذه للمهندسين التحقق مما إذا كان التصميم الحالي للغطاء سيجعله يهتز بالقرب من هذا التردد الرنان. إذا تم العثور على أنه قريب جدا، فقد تضمنت الحلول تقليديا إضافة المزيد من الوزن إلى غطاء المحرك، أو جعله أكثر صلابة، لتغيير تردد الرنين الخاص به. ومع ذلك، فإن هذه التغييرات تتعارض مع انبعاثات الكربون وأهداف السلامة على الطرق. وبدلاً من ذلك، يتم تحريك المفصلات والمسكات والأختام المطاطية لزيادة التخميد بحيث يفقد النظام الطاقة بشكل أسرع ولا يمكنه الوصول إلى تردد الرنين. من خلال العمل افتراضيا، يمكن القيام بذلك عدة مرات للعثور على أفضل حل وسط بين التكلفة والأداء والتنظيم.

بهذه الطريقة، تساعد الرياضيات في إزالة المشكلات من عملية تصميم السيارة دون الحاجة إلى تصنيع الأجزاء واختبارها فعليا. الرياضيات تساعد المهندس أن يقترب من الإجابة قدر الإمكان بحيث تكون أي تغييرات جسدية صغيرة وتحدث في نهاية العملية مباشرةً، مما يوفر الوقت ويقلل التكاليف.

الطرق المثلى لحل مشكلة اهتزازات غطاء المحرك.

طريقة Boltzmann

الطريقة المثلى لنمذجة تدفق الهواء في هذا الموقف هي استخدام معادلات نافييه-ستوكس – وهي مجموعة من المعادلات التفاضلية الجزئية المقترنة. تعمل هذه المعادلات بشكل جيد عند وصف التدفق غير المضطرب المقابل لرقم رينولدز المنخفض. ومع ذلك، في العديد من مواقف الحياة الواقعية، بما في ذلك تصميم السيارات، لا يكون التدفق صفحيا، ولكنه مضطرب. في النظام المضطرب، تكون معادلات نافييه معقدة للغاية بحيث لا يمكن حلها تحليليا حاليا. بدلاً من ذلك، يجب إجراء تقديرات تقريبية.

تتمثل إحدى الطرق في استخدام طريقة Lattice Boltzmann التي تهدف إلى محاكاة ديناميكيات تدفق السوائل دون حل المعادلات مباشرة. يتم تمثيل مجموعة الجسيمات من خلال وظيفة توزيع سرعة الجسيمات ويتم تنفيذ خطوات زمنية صغيرة لمعرفة كيف يتغير هذا التوزيع. تُستخدم مصفوفة التشتت لمحاكاة اصطدام الجسيمات بحيث يتطابق متوسط الحركة الزمني للجسيمات مع ما تتوقعه من Navier-Stokes.

تحليل العناصر المحدودة

كما يوحي الاسم، يتضمن تحليل العناصر المحدودة تقسيم الأشكال إلى عناصر أصغر، مما يسهل العمل معها. على سبيل المثال، يمكن أن يكون التقريب المنفصل لدائرة عبارة عن شكل عشري أضلاع منتظم يتكون من عشرين مثلثا. من الناحية النظرية، يمكن وصف أي شكل، بما في ذلك أغطية السيارات، عن طريق تقسيم الهيكل إلى سلسلة من العناصر. يمكن استخدام المعادلات لحساب السلوك المادي لكل عنصر. يتيح الجمع بين كل عنصر في العقد الخاصة بهم معادلات تقريبية لوصف الشكل بأكمله. ستكون هناك كميات غير معروفة عند الصلات بين العناصر ولكن يمكن حلها أيضا. بمجرد حصولك على وصف للشكل العام، يمكن دمجه مع خريطة ضغط الهواء. يمكن للمهندسين بعد ذلك حساب سلوك غطاء المحرك، بما في ذلك تردد اهتزازه.