某新能源卡車空調(diào)機(jī)組的模態(tài)及諧響應(yīng)分析

張克鵬 熊勻均 蔡培裕

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 浙江杭州 310000

1 前言

新能源商用汽車的空調(diào)機(jī)組是保證車內(nèi)乘員舒適性以及車輛行駛熱平衡的重要系統(tǒng)，一方面其作為車輛的空調(diào)動力源頭，為汽車乘員艙提供制冷功能；另一方面，新能源汽車的電池也需要空調(diào)冷媒做強(qiáng)制冷卻。因此，新能源車用空調(diào)機(jī)組的可靠性就顯得尤為重要?？照{(diào)機(jī)組與車輛固定在一起，空調(diào)機(jī)組會受到車輛行駛過程中的各種激勵載荷，國標(biāo)GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》對汽車用空調(diào)器振動試驗的要求作了明確規(guī)定。

隨著計算機(jī)硬件水平的提升和計算資源的擴(kuò)展，仿真技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域得到快速發(fā)展，開發(fā)工程師可以更加快速和準(zhǔn)確地建立物理模型，對特定工況的物理現(xiàn)象進(jìn)行快速仿真分析，得到所需的結(jié)果，縮短研發(fā)周期，節(jié)省試驗等成本。本文利用HyperWorks網(wǎng)格處理模塊HyperMesh對某新能源卡車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行三維有限元網(wǎng)格精確劃分，之后利用其自帶求解器OptiStruct進(jìn)行機(jī)組模態(tài)和諧響應(yīng)分析。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果判定空調(diào)機(jī)組的固有頻率是否與載荷頻率產(chǎn)生共振，導(dǎo)致共振破壞；再根據(jù)國標(biāo)GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》中的工況要求進(jìn)行諧響應(yīng)分析，判斷工況頻率激勵下最大應(yīng)力是否超過材料強(qiáng)度，設(shè)計方案是否滿足要求。

2 車用空調(diào)機(jī)組的網(wǎng)格劃分

利用三維設(shè)計軟件CATIA建立如圖1所示的幾何模型，其分布質(zhì)量與實(shí)際一致。所建立的模型簡化了實(shí)際機(jī)組的某些細(xì)節(jié)特征，以提高有限元前后處理和求解效率。簡化原則是在保證原有結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不發(fā)生改變的前提下，對非關(guān)鍵區(qū)域的特征及試算中應(yīng)力水平較低的部件，可以予以忽略。為便于三維模型的網(wǎng)格劃分，三維模型完成后，另存為中間格式.STEP導(dǎo)出，STEP是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所屬技術(shù)委員會制訂的國際統(tǒng)一CAD數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，大部分三維仿真軟件都支持這種輸入數(shù)據(jù)格式。

圖1 某車用空調(diào)機(jī)組

針對空調(diào)機(jī)組，將三維設(shè)計軟件CATIA中生成的三維幾何模型導(dǎo)入到Hyper Works的網(wǎng)格處理模塊HyperMesh中[1]。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對鈑金結(jié)構(gòu)、管路等薄壁件進(jìn)行中面抽取，并對抽取的中面做幾何清理，單元類型采用CTRIA3和CQUAD4；對于破壞風(fēng)險較低且內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的非考核部件，如壓縮機(jī)等用殼單元+附加質(zhì)量模擬，質(zhì)量點(diǎn)與周邊結(jié)構(gòu)用REB3單元鏈接。設(shè)置網(wǎng)格基本尺寸設(shè)為10 mm；螺母位置用washer建模，螺栓用CBEAM替代并用RBE2單元鏈接起來。模型共計有64 099個節(jié)點(diǎn)和67 500個單元，該新能源卡車空調(diào)機(jī)組有限元模型如圖2所示，內(nèi)部局部細(xì)節(jié)圖如圖3所示。

該新能源卡車空調(diào)機(jī)組模型的有限元網(wǎng)格劃分后，需要對該空調(diào)機(jī)組模型的屬性進(jìn)行定義，屬性包括材料、單元類型，如果是殼單元，還需要定義其單元厚度。材料屬性定義如表1所示，其中鈑金框架、安裝腳、內(nèi)部管路等金屬件的材料為碳鋼Q235B，風(fēng)扇的材料為ABS塑料。

圖2 車用空調(diào)機(jī)組有限元模型

圖3 車用空調(diào)機(jī)組內(nèi)部局部有限元模型

表1 車用空調(diào)機(jī)組材料屬性

3 新能源卡車空調(diào)機(jī)組的模態(tài)分析

機(jī)組的振動特性與其固有頻率特性相關(guān)，當(dāng)所受載荷頻率接近機(jī)組的固有頻率時，即使載荷振幅不是很大，但由其引起的共振現(xiàn)象也會給機(jī)組帶來很大響應(yīng)，并由此導(dǎo)致機(jī)組破壞。對新能源卡車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到空調(diào)機(jī)組各階固有頻率大小和相應(yīng)陣型圖。模態(tài)分析是模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析必需的前期分析過程。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法[2]。本次分析采用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器及分塊Lanczos方法進(jìn)行求解。

某新能源卡車空調(diào)機(jī)組的安裝固定情況如圖4所示。在機(jī)組的兩個側(cè)面有一個安裝固定支架與空調(diào)機(jī)組進(jìn)行連接，每側(cè)安裝支架各有2個螺栓孔與車輛其他部位固定連接，約束螺栓孔處節(jié)點(diǎn)的1～6自由度。

圖4 車用空調(diào)機(jī)組的安裝腳約束示意圖

GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定振動試驗頻率為33 Hz。在HyperWorks平臺的OptiStruct環(huán)境下，設(shè)定共計算10階模態(tài)，得到如表2所示模態(tài)頻率值，圖5為該新能源卡車空調(diào)機(jī)組前4階模態(tài)振型圖。

該新能源卡車空調(diào)機(jī)組通過安裝支架與振動試驗臺相連，第8階模態(tài)頻率和GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動測試方法中規(guī)定的試驗頻率33 Hz接近，要避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 新能源卡車空調(diào)機(jī)組的諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是線性結(jié)構(gòu)在周期載荷下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，通過諧響應(yīng)分析，得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨著頻率變化的規(guī)律，通過響應(yīng)隨頻率變化規(guī)律可以分析結(jié)構(gòu)的動力特性，并由此驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應(yīng)分析計算結(jié)構(gòu)在不同頻率下的響應(yīng)，可以觀察到峰值響應(yīng)頻率對應(yīng)的應(yīng)力。諧響應(yīng)分析是線性分析技術(shù)，任何非線性特性將被忽略。本次分析采用OptiStruct求解器及模態(tài)疊加法進(jìn)行求解。

圖5 車用空調(diào)機(jī)組前4階振型云圖

4.1 載荷邊界條件

按GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動測試方法的規(guī)定，新能源卡車空調(diào)機(jī)組的振動載荷為振動加速度，33 Hz時的加載方向和載荷大小如表3所示。

表3 新能源卡車空調(diào)機(jī)組加載方向和載荷大小

4.2 諧響應(yīng)分析

通過車用空調(diào)機(jī)組的模態(tài)分析，對其施加加速度激勵載荷和載荷步(包括諧響應(yīng)分析的頻率、載荷子步數(shù))后進(jìn)行諧響應(yīng)分析。

圖6～8為新能源卡車空調(diào)機(jī)組在激勵頻率33 Hz時3種工況下的應(yīng)力云圖。

圖7 33 Hz垂向Y工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

圖8 33 Hz縱向Z工況應(yīng)力云圖（應(yīng)力/MPa）

從云圖結(jié)果來看， 在X方向載荷工況下，最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在空調(diào)機(jī)組箱體鈑金框架上，應(yīng)力值為35.33 MPa；Y方向載荷工況下，最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部件板件上，應(yīng)力值為64.41 MPa；Z方向載荷工況下，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在空調(diào)機(jī)組底板與壓縮機(jī)支架連接附近，應(yīng)力值為288.9 MPa，最大應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，有破壞風(fēng)險，需要在該位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計。

5 結(jié)論

文章應(yīng)用三維設(shè)計軟件CATIA建立了某新能源卡車空調(diào)機(jī)組的幾何模型，利用HyperWorks商用仿真平臺的Hyper Mesh對此三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器對空調(diào)機(jī)組進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。分析表明，機(jī)組存在與測試頻率33 Hz接近的模態(tài)頻率，在Z向加速度激勵載荷下，機(jī)組最大應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度，機(jī)組強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求。后期還需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，避開共振區(qū)域，加強(qiáng)設(shè)計薄弱區(qū)域，滿足振動測試強(qiáng)度要求。