管帶式車用散熱器動強度分析

管帶式車用散熱器動強度分析

發(fā)動機結(jié)構(gòu)分析探測器是冷水擠出系統(tǒng)的重要部件。汽車在行駛過程中,散熱器承受來自發(fā)動機和路面的振動載荷,若其結(jié)構(gòu)強度不足,會使其各部件間的焊縫產(chǎn)生裂縫而滲漏,從而影響發(fā)動機的正常工作。常見的散熱器分為管片式與管帶式兩種,其中管帶式目前應(yīng)用更為廣泛。由于管帶式散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜及計算機軟硬件條件的限制,前人在其結(jié)構(gòu)強度有限元分析方面所作研究很少。本文以CA120F汽車所裝1301132-AL型散熱器為例,應(yīng)用有限元分析技術(shù)對車用管帶式散熱器的結(jié)構(gòu)動強度進行了分析。1元模型的構(gòu)建1.1地面系統(tǒng)中控制器的動態(tài)力學(xué)模型散熱器的左右吊耳通過橡膠墊由螺栓固定在車架上,汽車行駛中,來自發(fā)動機與路面的振動載荷由車架通過橡膠墊作用在散熱器左右吊耳上,且由路面?zhèn)鱽淼恼駝虞d荷為隨機載荷。因此,散熱器工作過程中力學(xué)模型可描述為左右吊耳固定并承受隨機載荷的動態(tài)力學(xué)模型。在臺架振動試驗中,散熱器固定模式和承載點與實車相同,所受載荷為正弦變化周期載荷。圖1為散熱器力學(xué)模型示意圖。1.2單元結(jié)構(gòu)參數(shù)管帶式散熱器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,1301132-AL型散熱器包括上下主片、上下儲水室、冷卻水管、散熱帶、左右支撐板、左右側(cè)片以及左右吊耳。散熱器各個零件由不同厚度、不同材質(zhì)的板材或帶料制成,均為結(jié)構(gòu)復(fù)雜、厚度各不相同的薄壁件,所以運用抽取中性平面的方法,選取板殼單元來建立其有限元模型。所選用的彈性變形板殼單元具有彎曲與膜片特性,可以施加垂直于單元平面的載荷(如圖2a中F1、F2)或單元平面內(nèi)的載荷(如圖2a中F3、F4、F5、F6)。每個單元有4個節(jié)點A、B、C、D,每個節(jié)點具有6個自由度,分別為x、y、z方向的線位移自由度以及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)角自由度。該單元具有應(yīng)力強化與大變形性能,單元厚度通過4個節(jié)點處的厚度給出,可以指定單元的基本剛度,還可以給單元指定各向異性的材料參數(shù)。彈性變形板殼單元的幾何形狀、節(jié)點位置與坐標系如圖2a所示。通過指定板殼單元的厚度來輸入各個零部件的厚度。散熱器左右吊耳各墊一個起緩沖減振作用的橡膠墊,由螺栓、螺母與鎖銷固定在車架或振動試驗臺上(圖1)。在有限元模型中,在相應(yīng)位置各選用一個拉壓彈簧-阻尼組合單元來模擬橡膠墊的緩沖減振作用。所選用的拉壓彈簧-阻尼組合單元是一個單軸的拉壓單元,有兩個節(jié)點I、J,每個節(jié)點具有3個自由度,分別為x、y、z方向的線位移自由度,剛度通過k定義,阻尼系數(shù)通過CV定義,不考慮彎曲與扭轉(zhuǎn)。拉壓彈簧-阻尼組合單元的幾何形狀、節(jié)點位置與坐標系如圖2b所示。1.3零件結(jié)構(gòu)模型建立網(wǎng)格劃分時既要力求準確反映原結(jié)構(gòu)幾何和力學(xué)特性,又要盡量減少單元節(jié)點的數(shù)量,降低計算工作量。經(jīng)初算后在應(yīng)力較大的危險部位細化網(wǎng)格,如主片與冷卻水管相連的焊縫處,如圖3a所示;在上下儲水室、支撐板、側(cè)片等部位網(wǎng)格相對粗糙一些,如圖3b所示。利用零部件的結(jié)構(gòu)對稱性可簡化建模過程,比如主片,可先建立1/4實體模型,對其進行網(wǎng)格劃分,再將網(wǎng)格進行一次或兩次對稱復(fù)制即可。圖3c為所建立的散熱器有限元模型及網(wǎng)格劃分圖。表1列出了散熱器各零部件材料及網(wǎng)格劃分明細情況。模型中共包括41767個單元,其中板殼單元41765個,彈簧-阻尼組合單元2個;38097個節(jié)點;228574個自由度。1.4uy/uy計算約束吊耳與試驗臺或車架固定處節(jié)點的2個自由度,即ux=0、uy=0,以表示散熱器不能橫向或前后運動,只能隨試驗臺或車架上下運動或繞x、y、z軸輕微轉(zhuǎn)動。力載荷F通過拉壓彈簧-阻尼組合單元加在散熱器上。約束與加載情況如圖4所示。2栓、螺釘、鎖銷固定為了驗證理論模型,在長春一汽富奧散熱器公司散熱器研究所實驗室的MTS振動試驗臺上對1301132-AL型散熱器進行了耐振性能測試。試驗時,將散熱器內(nèi)部注滿溫水后密封,按散熱器在汽車上的實際安裝方式,將散熱器左右吊耳各墊一橡膠墊,通過螺栓、螺母、鎖銷固定在試驗臺上。該振動試驗臺能實現(xiàn)正弦波上下振動。由于1301132-AL型散熱器主要裝在輕型車CA120F上,其整車質(zhì)量小于2.5t,所以試驗時按照國家標準規(guī)定激振頻率選取為20Hz,加速度峰值選取為25m/s2,振幅選取為±1.58mm,振動方向選取為垂直。根據(jù)有限元初步分析結(jié)果,分別在被測散熱器的上下主片、冷卻水管、上下儲水室、左右側(cè)片各關(guān)鍵部位的測試點上共布置了19枚直角應(yīng)變花、20枚單片應(yīng)變片,來測試散熱器在振動試驗臺上的應(yīng)力場分布。圖5為應(yīng)變片的分布示意圖。布置在散熱器上的應(yīng)變片與溫度補償片按照半橋接法連接到電橋盒上組成測量橋路,信號通過動態(tài)應(yīng)變儀放大后輸入美國Iotech公司生產(chǎn)的Daqbook120數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),最終記錄到計算機的數(shù)據(jù)文件中。圖6為試驗系統(tǒng)示意圖。3性能分析結(jié)果表2為理論計算與臺架試驗所測散熱器部分應(yīng)力結(jié)果對比,具體位置見圖5所示。理論建模時為了減少單元、節(jié)點數(shù)量,減少計算量與計算時間,對模型做了一定的簡化,理論結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差為5%～30%,一般在10%左右,個別位置將近30%,在工程計算允許范圍內(nèi),可以認為理論模型基本正確,理論計算可信。表2中σ1、σ2的試驗值按下式計算:σi=E(ε0°+ε90°)2(1?μ)±2√E2(1+μ)(ε0°?ε45°)2+(ε45°?ε90°)2??????????????????????√(i=1,2)σi=E(ε0°+ε90°)2(1-μ)±2E2(1+μ)(ε0°-ε45°)2+(ε45°-ε90°)2(i=1,2)式中E——材料的彈性模量μ——材料的泊松比ε0°、ε45°、ε90°——直角應(yīng)變花相應(yīng)位置的應(yīng)變片所測得的應(yīng)變表2中σz為冷卻水管沿高度方向的拉壓應(yīng)力。為了分析散熱器在實際危險工況下的強度情況,根據(jù)實車道路試驗,應(yīng)用此模型,施加惡劣工況下可能達到的10g的垂直加速度動載荷,對1301132-AL型散熱器進行了強度分析。圖7為計算得到的散熱器各個零部件的vonMises應(yīng)力場分布,vonMises等價應(yīng)力為σe=12[(σ′1?σ′2)2+(σ′2?σ′3)2+(σ′3?σ′1)2]}1212[(σ′1-σ′2)2+(σ′2-σ′3)2+(σ′3-σ′1)2]}12式中σ′1、σ′2、σ′3——主應(yīng)力圖7中MX標記了應(yīng)力最大處,MN標記了應(yīng)力最小處。通過分析計算結(jié)果可知,現(xiàn)有散熱器側(cè)片(vonMises應(yīng)力范圍為0.3～87.6MPa,其強度極限為200MPa)、支撐板(vonMises應(yīng)力范圍為0.06～8.5MPa,強度極限為200MPa)、上下儲水室(vonMises應(yīng)力范圍為0.027～76.7MPa,強度極限為294MPa)、冷卻水管(vonMises應(yīng)力范圍為0.006～18.1MPa,強度極限為400MPa)、主片(vonMises應(yīng)力范圍為0.08～34.9MPa,強度極限為294MPa)應(yīng)力水平較低,其應(yīng)力峰值遠低于其材料的許用應(yīng)力,說明其強度足夠,在滿足強度要求的前提下可考慮降低其厚度以節(jié)省鋼材與銅材。由于釬焊所用的錫鉛焊料強度低(根據(jù)所用牌號及工作溫度不同,其強度極限為13～60MPa),雖然上下儲水室與上下主片聯(lián)接處焊縫和冷卻水管與上下主片聯(lián)接處焊縫的應(yīng)力相對其他部位絕對值不太大(vonMises應(yīng)力范圍為0.12～18.8MPa),但卻接近釬焊焊料的強度極限,另外散熱器工作中釬焊焊縫處還要承受溫度載荷產(chǎn)生的熱應(yīng)力與系統(tǒng)內(nèi)部壓力產(chǎn)生的應(yīng)力,這些都增大了釬焊焊縫處的危險程度,因此應(yīng)選用強度更高的釬焊焊料或改進釬焊工藝以提高其強度。4對用戶材料的改進(1)建立了管帶式車用散熱器強度分析有限元模型。試驗結(jié)果表明,所建立的有限元模型合理,有限元分析結(jié)果基本可靠