發(fā)動機(jī)散熱器壓力載荷失效分析

羅寅

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 200092）

1 散熱器壓力載荷失效模式與分析前處理

散熱器主要作用是將發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的多余熱量傳遞至空氣中，使發(fā)動機(jī)工作在適合的溫度范圍內(nèi)。由于散熱器安裝位置位于發(fā)動機(jī)艙前端，除各種路況下的顛簸外，還時(shí)刻面臨來自沙石打擊的威脅；同時(shí)，散熱器內(nèi)部又易受到冷卻液壓力交變、突變，水溫過熱等不利因素的威脅。所以散熱器適用性評價(jià)總是圍繞可靠性展開。

本文將以散熱器壓力循環(huán)載荷作為研究工況，通過分析典型失效模式獲得成因，為解決散熱器可靠性問題探索出一套行之有效的方法。

車輛正常行駛中，冷卻液壓力不超過1bar（表壓，下同），但考慮極限工況，試驗(yàn)最高壓力將遠(yuǎn)超過1bar。本文壓力循環(huán)試驗(yàn)邊界如表1所示，按25萬次循環(huán)進(jìn)行，前20萬次循環(huán)壓力保持在0.3～1.8bar內(nèi)（循環(huán)一），后5萬次循環(huán)壓力保持在0.3～2.4bar內(nèi)（循環(huán)二）。

表1 散熱器壓力循環(huán)試驗(yàn)工況

試驗(yàn)結(jié)果顯示，散熱器在循環(huán)一范圍內(nèi)運(yùn)行無任何異常，壓力加載與釋放符合工況設(shè)定，且拆下散熱器水檢未見任何泄漏。但繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)二至近5萬次時(shí)，試驗(yàn)臺發(fā)出低壓報(bào)警，拆機(jī)水檢發(fā)現(xiàn)散熱器出現(xiàn)泄漏，漏點(diǎn)位于主片與水室咬邊接合處，靠近進(jìn)水口位置。肉眼觀察發(fā)現(xiàn)主片與水室扣壓咬邊的地方出現(xiàn)形變，咬邊接合處已打開，分析密封圈未被有效壓縮，密封面出現(xiàn)破壞，從而導(dǎo)致散熱器出現(xiàn)泄漏，該失效模式在壓力循環(huán)試驗(yàn)中較為常見。

散熱器壓力循環(huán)疲勞耐久性研究技術(shù)路線如圖1所示，主要分析手段為計(jì)算機(jī)輔助有限元分析。

圖1 散熱器壓力循環(huán)耐久性研究技術(shù)路線圖

進(jìn)行有限元計(jì)算前需將分析件的三維數(shù)模分成很多小單元，針對重要部件的模型，為提高計(jì)算精度，其網(wǎng)格還必須細(xì)化。而對于非關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可適當(dāng)放大單元。前期，散熱器三維模型已創(chuàng)建完成。將其導(dǎo)入前處理軟件后，先要對散熱器數(shù)模進(jìn)行幾何清理，刪除無關(guān)緊要的倒角、圓角和一些重合邊，使數(shù)模盡量簡化，劃分網(wǎng)格更加方便。但幾何清理需注意有限元數(shù)模與幾何數(shù)模的結(jié)構(gòu)一致性。其中：

水室的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，劃分六面體小單元比較困難，故采用四面體單元?jiǎng)澐炙矣邢拊Ｐ停?/p>

主片的結(jié)構(gòu)也略復(fù)雜，但作為壓力循環(huán)試驗(yàn)的主要失效部件，是有限元分析的重點(diǎn)，故采用六面體單元?jiǎng)澐种髌邢拊Ｐ停?/p>

對于扁平細(xì)長散熱管與散熱翅片焊接接觸區(qū)域，一定密度的散熱翅片起到支承作用，增加了散熱管結(jié)構(gòu)剛度，所以該區(qū)域?qū)Y(jié)構(gòu)壽命有正向影響，可以適當(dāng)簡化模型以減少運(yùn)算時(shí)間。

有限元計(jì)算采用的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為2,578,715個(gè)。

散熱器在壓力循環(huán)試驗(yàn)臺中的安裝方式與整車環(huán)境相同，為使仿真結(jié)果更接近實(shí)際，約束方式應(yīng)盡量與臺架試驗(yàn)相匹配。

由前述，在散熱器內(nèi)部施加2.4bar的均布靜載荷作為壓力邊界，以便分析得到單位載荷的結(jié)構(gòu)應(yīng)力場。

針對線彈性分析，采用標(biāo)準(zhǔn)接觸定義類型，載荷步設(shè)置由腳本自動生成。

2 仿真結(jié)果與失效分析

2.1 仿真結(jié)果

散熱器迎風(fēng)面與背風(fēng)面的整體位移最大位移區(qū)域出現(xiàn)在進(jìn)水室迎風(fēng)面靠近進(jìn)水管處，該區(qū)域與主片張開位置大致相同，初步復(fù)現(xiàn)出失效模式。進(jìn)水室在靠近進(jìn)水管的迎風(fēng)面局部區(qū)域上受較大壓力，材料受迫膨脹形變，并壓迫主片。

受水室膨脹壓迫影響，主片中下沿（咬邊區(qū)）應(yīng)力值普遍高于上沿，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在水室最大膨脹區(qū)域即進(jìn)水口附近，有的接近循環(huán)25萬次對應(yīng)的許可應(yīng)力，有的甚至超出了許可應(yīng)力。在這樣的峰值應(yīng)力作用下，主片咬邊在該區(qū)域受迫有向外張開的趨勢。對照臺架試驗(yàn)結(jié)果，主片在該位置張開而樣件出現(xiàn)泄漏失效。

2.2 成因分析

當(dāng)散熱器內(nèi)部受到2.4bar的壓力時(shí)，水室各部分均受到影響出現(xiàn)不同程度地膨脹，其中最大膨脹區(qū)域位于水室迎風(fēng)面靠近進(jìn)水口附近。這是因?yàn)樗业膬?nèi)腔為拱形，外部的壓力隨冷卻液由進(jìn)水口進(jìn)入水室后，最大位移區(qū)域內(nèi)的這部分水室起到了阻礙冷卻液流動和壓力傳遞的作用，承受了大部分冷卻液的沖擊，故膨脹位移最大。水室膨脹后，主片咬邊處受迫出現(xiàn)張開的趨勢，這導(dǎo)致主片下沿咬邊區(qū)的應(yīng)力集中，故水室膨脹最大位置對應(yīng)的主片咬邊區(qū)應(yīng)力等于甚至超過等效許可應(yīng)力，從而造成主片局部區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重外張的塑性形變。隨著循環(huán)次數(shù)不斷增加，疲勞積累，該區(qū)域塑性形變程度越來越大，最終造成主片張開一定程度后與水室之間失去密封，散熱器樣件泄漏。

3 總結(jié)

本文選取散熱器可靠性試驗(yàn)中的壓力循環(huán)試驗(yàn)作為研究邊界，介紹試驗(yàn)特性與試驗(yàn)（失效）結(jié)果，針對失效模式提出了技術(shù)路線，并分析了成因，完成了失效分析。