搜索HyperWorks在副水箱優(yōu)化中的應(yīng)用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文介紹了采用CAE仿真技術(shù),分析副水箱在力載荷和熱載荷作用下的應(yīng)力分布,以確認(rèn)副水箱破壞的主要載荷類型是力載荷或熱載荷或力載荷和熱載荷同時(shí)作用的結(jié)果;分析副水箱不同安裝方式以及與不同的散熱器上水室材料匹配時(shí)的應(yīng)力及變形。
蔣光福 來源:Altair
關(guān)鍵字:CAE 汽車 冷卻系統(tǒng) 副水箱
1 概述
汽車水箱又稱散熱器,是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)中主要機(jī)件。其功用是散發(fā)熱量,冷卻水在水套中吸收熱量,流到散熱器后將熱量散去,再回到水套內(nèi)而循環(huán)不斷。水箱是水冷式引擎的熱交換器,以空氣對(duì)流冷卻之方式,維持引擎正常工作溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)冷卻水的溫度最高可以高達(dá)100攝氏度,工作環(huán)境比較惡劣。
汽車水箱主要是由散熱器芯子、水管、散熱空氣葉片、上水箱及下水箱等組合而成,上水箱在散熱器上,由水管將上水箱與散熱器下面之水箱相連通,熱水由上而下流到下水箱時(shí)變?yōu)闇厮?散熱空氣葉片則構(gòu)成孔道,由風(fēng)扇的抽吸及車子前進(jìn)行駛時(shí)的相對(duì)風(fēng)速,使大量的冷空氣經(jīng)空氣孔道,將流經(jīng)水管中冷卻水的熱量吸收,再發(fā)散于大氣中。
冷卻系統(tǒng)的功用是將引擎中多余而無用的熱量,從引擎中散發(fā)出去,使引擎在各種速率或行駛狀況下均能保持在正常溫度下運(yùn)作。
2 有限元模型的建立
由于副水箱是鑄件,因此,全采用四面體單元網(wǎng)格模型化結(jié)構(gòu),其有限元模型如圖1 和圖2所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型單元數(shù)約90萬。
CAE仿真計(jì)算和前后處理均采用軟件Altair HyperWorks V7.0。
副水箱結(jié)構(gòu)材料為PP聚乙稀,其彈性模量E為1350MPa,波松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為0.000108(1/度);散熱器上水室結(jié)構(gòu)材料有PA塑料和鋁兩種,其中PA塑料的彈性模量E為7500MPa,波松比為0.3,熱膨脹系數(shù)為0.0001(1/度);鋁的彈性模量E為71000MPa,波松比為0.33,熱膨脹系數(shù)為0.000023(1/度)
圖1 副水箱有限元模型圖
圖2 副水箱和散熱器上水室總成有限元模型圖
3 計(jì)算工況
分別分析了副水箱在力載荷和熱載荷作用下的應(yīng)力和變形情況。只有熱載荷作用時(shí), 整個(gè)副水箱和散熱器上水室的溫度設(shè)為100度。本文考慮了兩種副水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案, 兩種副水箱安裝方式及兩種散熱器上水室材料,組合成八種分析工況。只有力載荷作用時(shí), 力載荷主要是由副水箱的自重和副水箱中水的重量,二者合計(jì)為4.65kg。各工況定義如表1所示。
所有計(jì)算工況均約束副水箱的雙孔安裝支架和散熱器上水室的下表面。
表1 計(jì)算工況定義
4 分析與討論
副水箱在十個(gè)工況下的CAE分析結(jié)果如表2所示,其應(yīng)力分布如圖3至圖6所示,最大應(yīng)力均在副水箱的安裝支架上。
比較表2中的工況2和工況9可知,熱載荷作用下的應(yīng)力遠(yuǎn)大于力載荷作用下的應(yīng)力, 力載荷作用下的影響可以忽略,因此副水箱破壞的主要載荷類型應(yīng)該是熱載荷作用的結(jié)果。
分別比較表2中的工況1至4與工況5至8和工況9與10可知, 副水箱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè) 計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案相比較,熱載荷作用下其最大Mises應(yīng)力下降10%左右;斷裂部位的最大Mises應(yīng)力下降10%以上;最大位移也約有下降;力載荷作用下其最大Mises應(yīng)力下降27%; 斷裂部位的最大Mises應(yīng)力降19.66%;最大位移也下降13.71%;因此, 副水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度和剛度均優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案。
分別比較表2中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和散熱器上水室材料相同而副水箱安裝方式不同的工況(如工況1與3, 工況2與4, 工況5與7和工況6與8)可知,副水箱兩個(gè)安裝支架與三個(gè)安 裝支架相比較,其最大Mises應(yīng)力都有下降; 斷裂部位的最大Mises應(yīng)力下降10%以上;而最大位移大約上升5%左右;因此,兩個(gè)安裝支架的副水箱的強(qiáng)度均優(yōu)于三個(gè)安裝支架的副水箱, 兩個(gè)安裝支架的副水箱的剛度均弱于三個(gè)安裝支架的副水箱。
進(jìn)行同樣的分析可知, 散熱器上水室材料為鋁時(shí), 副水箱的剛度和強(qiáng)度均優(yōu)于散熱器上水室材料為PA塑料時(shí)。
最大Mises應(yīng)力所在位置相同的工況的應(yīng)力分布規(guī)律相同,只是數(shù)值不同而已,因此,對(duì)每個(gè)高應(yīng)力位置的分布圖,本文僅列出其中一個(gè)工況作為代表。
表2 各工況下的CAE分析結(jié)果
圖3 副水箱雙孔安裝支架的應(yīng)力分布圖((工況5) 單位:MPa
圖4 副水箱斷裂部位的應(yīng)力分布圖(工況8) 單位:MPa
圖5 副水箱單孔安裝支架的應(yīng)力分布圖 單位:MPa
圖6 在力載荷作用下副水箱的應(yīng)力分布圖(工況9) 單位:MPa
5 結(jié)論
通過前面的分析,可以結(jié)論如下:
(1)所有工況下的最大應(yīng)力均在副水箱的安裝支架上。
(2)熱載荷作用下的應(yīng)力遠(yuǎn)大于力載荷作用下的應(yīng)力, 力載荷作用下的其影響可以忽略,因此副水箱破壞的主要載荷類型應(yīng)該是熱載荷作用的結(jié)果。
(3) 副水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度和剛度均優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案。
(4) 兩個(gè)安裝支架的副水箱的強(qiáng)度均優(yōu)于三個(gè)安裝支架的副水箱, 兩個(gè)安裝支架的副水箱的剛度均弱于三個(gè)安裝支架的副水箱。
(5)散熱器上水室材料為鋁時(shí), 副水箱的剛度和強(qiáng)度均優(yōu)于散熱器上水室材料為PA塑料時(shí)。
(6)綜上所述,建議采納副水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),同時(shí)與PA塑料材料的散熱器上水室匹配使用。
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