搜索HyperWorks在副水箱優化中的應用
2013-06-06 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
本文介紹了采用CAE仿真技術,分析副水箱在力載荷和熱載荷作用下的應力分布,以確認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作用的結果;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的應力及變形。
蔣光福 來源:Altair
關鍵字:CAE 汽車 冷卻系統 副水箱
1 概述
汽車水箱又稱散熱器,是汽車冷卻系統中主要機件。其功用是散發熱量,冷卻水在水套中吸收熱量,流到散熱器后將熱量散去,再回到水套內而循環不斷。水箱是水冷式引擎的熱交換器,以空氣對流冷卻之方式,維持引擎正常工作溫度。在發動機工作時冷卻水的溫度最高可以高達100攝氏度,工作環境比較惡劣。
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變為溫水,散熱空氣葉片則構成孔道,由風扇的抽吸及車子前進行駛時的相對風速,使大量的冷空氣經空氣孔道,將流經水管中冷卻水的熱量吸收,再發散于大氣中。
冷卻系統的功用是將引擎中多余而無用的熱量,從引擎中散發出去,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格模型化結構,其有限元模型如圖1 和圖2所示。整個結構的有限元模型單元數約90萬。
CAE仿真計算和前后處理均采用軟件Altair HyperWorks V7.0。
副水箱結構材料為PP聚乙稀,其彈性模量E為1350MPa,波松比為0.3,熱膨脹系數為0.000108(1/度);散熱器上水室結構材料有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 計算工況
分別分析了副水箱在力載荷和熱載荷作用下的應力和變形情況。只有熱載荷作用時, 整個副水箱和散熱器上水室的溫度設為100度。本文考慮了兩種副水箱結構設計方案, 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, 力載荷主要是由副水箱的自重和副水箱中水的重量,二者合計為4.65kg。各工況定義如表1所示。
所有計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 計算工況定義
4 分析與討論
副水箱在十個工況下的CAE分析結果如表2所示,其應力分布如圖3至圖6所示,最大應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,熱載荷作用下的應力遠大于力載荷作用下的應力, 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該是熱載荷作用的結果。
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, 副水箱結構的優化設 計方案與原設計方案相比較,熱載荷作用下其最大Mises應力下降10%左右;斷裂部位的最大Mises應力下降10%以上;最大位移也約有下降;力載荷作用下其最大Mises應力下降27%; 斷裂部位的最大Mises應力降19.66%;最大位移也下降13.71%;因此, 副水箱優化設計方案的強度和剛度均優于原設計方案。
分別比較表2中結構設計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,副水箱兩個安裝支架與三個安 裝支架相比較,其最大Mises應力都有下降; 斷裂部位的最大Mises應力下降10%以上;而最大位移大約上升5%左右;因此,兩個安裝支架的副水箱的強度均優于三個安裝支架的副水箱, 兩個安裝支架的副水箱的剛度均弱于三個安裝支架的副水箱。
進行同樣的分析可知, 散熱器上水室材料為鋁時, 副水箱的剛度和強度均優于散熱器上水室材料為PA塑料時。
最大Mises應力所在位置相同的工況的應力分布規律相同,只是數值不同而已,因此,對每個高應力位置的分布圖,本文僅列出其中一個工況作為代表。
表2 各工況下的CAE分析結果
圖3 副水箱雙孔安裝支架的應力分布圖((工況5) 單位:MPa
圖4 副水箱斷裂部位的應力分布圖(工況8) 單位:MPa
圖5 副水箱單孔安裝支架的應力分布圖 單位:MPa
圖6 在力載荷作用下副水箱的應力分布圖(工況9) 單位:MPa
5 結論
通過前面的分析,可以結論如下:
(1)所有工況下的最大應力均在副水箱的安裝支架上。
(2)熱載荷作用下的應力遠大于力載荷作用下的應力, 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該是熱載荷作用的結果。
(3) 副水箱優化設計方案的強度和剛度均優于原設計方案。
(4) 兩個安裝支架的副水箱的強度均優于三個安裝支架的副水箱, 兩個安裝支架的副水箱的剛度均弱于三個安裝支架的副水箱。
(5)散熱器上水室材料為鋁時, 副水箱的剛度和強度均優于散熱器上水室材料為PA塑料時。
(6)綜上所述,建議采納副水箱優化設計結構,同時與PA塑料材料的散熱器上水室匹配使用。
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