圍繞應(yīng)力分析開展的新型汽車散熱器設(shè)計(jì)

孫英嘉

（富奧汽車零部件股份有限公司散熱器分公司，吉林 長春130013）

近些年來，我國的高速公路得到了快速的發(fā)展。高速公路的發(fā)展里程不僅變得越來越長，汽車也不斷的向比較高的速度類型發(fā)展。所以，越來越多的用戶對表大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)有比較強(qiáng)烈的需求。當(dāng)前，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作量很多都是超負(fù)荷的，所以需要進(jìn)行設(shè)計(jì)上的升級(jí)和優(yōu)化。現(xiàn)在的汽車的汽車對散熱器的體積和質(zhì)量都有比較嚴(yán)格的要求。汽車的散熱器不僅需要有比較好的散熱性能，還需要有比較好的散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。當(dāng)汽車在進(jìn)行散熱器的研究和出樣后，首先就需要對散熱器的各種性能指標(biāo)進(jìn)行測試，從而確保這些散熱器部件可以安全使用。

1 汽車散熱器應(yīng)力分析

當(dāng)前市場上主要銷售的散熱器主要組成部件由以下六個(gè)部件。第一個(gè)是散熱器防凍液的出口。第二個(gè)是散熱器防凍液的入口。第三個(gè)是散熱器的上水室。第四個(gè)是散熱器的下水室。第五個(gè)是散熱器的扁管。第六個(gè)是散熱器的散熱帶。扁管一般是放在上下水室之間的，同時(shí)扁管也是穿插在散熱器中間的。總之，各個(gè)部分是相互聯(lián)系在一起，同時(shí)又相互影響的。在汽車運(yùn)行的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)不斷地產(chǎn)生熱能。當(dāng)熱能積累到一定量時(shí)會(huì)反過來影響到防凍液。隨著熱量的增加，溫度不斷的變高，防凍液會(huì)逐漸從入口轉(zhuǎn)移到上水室。當(dāng)防凍液經(jīng)過散熱扁管時(shí)，因?yàn)楸夤苁谴┎逶谏釒е械模詴?huì)帶動(dòng)散熱帶開始工作。散熱帶可以將溫度比較高防凍液進(jìn)行冷卻降溫。所以，在散熱帶的作用下，防凍液會(huì)再次流入到下水室，同時(shí)再次恢復(fù)冷卻的功能，達(dá)到幫助發(fā)動(dòng)機(jī)降溫的目的。從而保證行駛過程中，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)可以穩(wěn)定的運(yùn)行，保證安全。

但是，根據(jù)歷來的調(diào)查和研究數(shù)據(jù)看，汽車的散熱器在散熱的過程中扁管比較容易出現(xiàn)問題。扁管比較容易的出現(xiàn)問題的方式有兩種，一種是扁管出現(xiàn)裂紋，一種是扁管出現(xiàn)爆裂。當(dāng)在炎熱的季節(jié)，扁管更加容易出現(xiàn)問題。當(dāng)扁管出現(xiàn)問題時(shí)，散熱器在工作的過程中比較容易受到影響，還會(huì)較低發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。為了解決散熱器在實(shí)際工作中遇到的這個(gè)問題，需要對散熱器的扁管出現(xiàn)問題的原因進(jìn)行分析，找到造成扁管出現(xiàn)裂紋或者爆裂的影響因素，從而找到解決問題的辦法。通過利用顯微鏡對散熱器的扁管進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，扁管比較容易出現(xiàn)問題的位置有兩個(gè)，一個(gè)是在扁管的平面位置，一個(gè)是在扁管的彎曲位置。扁管不同的位置的狀態(tài)是不同的。通過一系列的數(shù)據(jù)研究分析得出，扁管出現(xiàn)裂紋或者爆炸的根本原因是在某些部位出現(xiàn)應(yīng)力過于集中。

通過數(shù)據(jù)研究分析得出，扁管出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的原因主要有兩個(gè)。第一個(gè)原因是在防凍液流入到上下水室的時(shí)候，其截面差別比較大，很容易導(dǎo)致應(yīng)力過于集中。第二個(gè)原因是，散熱器扁管的形狀種有平面部分，也有曲面部分，所以在防凍液工作的過程中是不能均勻的將液體分散開的。當(dāng)防凍液的分流作用不均勻時(shí)，液體的流速也是不同的。防凍液在進(jìn)入入水口的時(shí)候，不僅流量比較大，流速也是比較快的，所以也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過于集中的問題。

2 基于應(yīng)力分析的新型汽車散熱器設(shè)計(jì)

汽車的很多零件都是在循環(huán)的荷載力下進(jìn)行工作的。汽車循環(huán)荷載力的應(yīng)力比材料的屈服強(qiáng)度是要差一些的。汽車在循環(huán)荷載力的作用下因?yàn)楣ぷ鲿r(shí)間長后出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象稱之為疲勞運(yùn)作。當(dāng)汽車的零件長時(shí)間處于疲勞工作的環(huán)境下，就很容易出現(xiàn)失效的問題。汽車零件疲勞運(yùn)作不能會(huì)破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還會(huì)逐漸的損失汽車內(nèi)核。隨著時(shí)間的推移就會(huì)出現(xiàn)開裂和裂紋擴(kuò)展等一系列問題，最終導(dǎo)致整個(gè)的零件被破壞掉。

為了解決零件疲勞的問題，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候需要進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)，其實(shí)際準(zhǔn)則有三個(gè)，第一準(zhǔn)則不限壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，第二個(gè)準(zhǔn)則是安全壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，第三個(gè)是失效的安全設(shè)計(jì)，具體如下：

2.1 不設(shè)壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在汽車零件的抗疲勞設(shè)計(jì)中，不限壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最早的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在其設(shè)計(jì)原則中，是要求零構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)力是要比其疲勞極限要低一些的，從而可以延長零件的使用壽命。

2.2 安全壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在很多的汽車零件抗疲勞設(shè)計(jì)中，很多零件都是根據(jù)有限的使用壽命來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這種設(shè)計(jì)原則也可以稱為安全壽命的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。零件的有限壽命設(shè)計(jì)是保證零件在規(guī)定的使用年限內(nèi)可以安全使用。所以在安全壽命設(shè)計(jì)中，零部件的工作應(yīng)力是可以超過其疲勞的極限，從而使得自身的重量可以減輕。

2.3 失效的安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在該準(zhǔn)則中，疲勞裂紋是可以出現(xiàn)的，但是需要進(jìn)行定期的檢查。一般而言，汽車零部件出現(xiàn)裂紋并不會(huì)破壞整個(gè)的結(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)裂紋出現(xiàn)后不進(jìn)行檢測和修理，就很容易使得裂紋進(jìn)一步的擴(kuò)展，時(shí)間長了，最終還是會(huì)產(chǎn)生問題。所以，在進(jìn)行失效的安全設(shè)計(jì)時(shí)，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行荷載力轉(zhuǎn)移。

3 Fluent 數(shù)值模擬及優(yōu)化分析

3.1 計(jì)算域的確定和參數(shù)設(shè)定

本實(shí)驗(yàn)研究的對象是汽車領(lǐng)域中，散熱器的內(nèi)流體的流動(dòng)區(qū)域。實(shí)驗(yàn)采取的模型是湍流模型。

3.2 數(shù)值模擬仿真

湍流模型的模擬過程是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。第一步是需要進(jìn)行汽車散熱器模型的繪制，通常用到的工具是前處理器Gambit。第二是將水室和扁管進(jìn)行分割，因?yàn)樯崞髂M模型中，不管是上水室，還是下水室都和扁管的尺寸差異比較大，所以常常會(huì)使用到split 進(jìn)行分割。具體說來，是在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候需要用到兩種方式，一種是Hex 方式，一種是Tex/Hybrid方式。在處理散熱器的中間部分時(shí)，常常使用的是Hex 選項(xiàng)中的Max。在處理上水室和下水室的部分時(shí)，常常使用的是Tex/Hybrid 選項(xiàng)中的TGrid。通過網(wǎng)格設(shè)計(jì)的方法，可以很好的檢查出網(wǎng)格的質(zhì)量狀態(tài)，看是否達(dá)到要求。第三步是對散熱器的進(jìn)水口面和入水口面的設(shè)計(jì)，通常用VELOCITYINLET 表示入水口面，用OUTFLOW 表示出水口面。第四步是對數(shù)據(jù)的保存。可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLUENT 3D 中。最后一步是讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，平滑網(wǎng)格?？梢岳貌煌念伾珌肀硎静煌乃俣攘鳎瑥亩梢杂^察到整個(gè)的速度變化。

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)中測試得到的一系列數(shù)據(jù)結(jié)果，再結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)仿真原理，可以得出散熱器中防凍液在上水室、下水室和扁管中的流動(dòng)速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，防凍液的流動(dòng)速度是不同的，并且速度的差異也比較大。防凍液在入口和出口的時(shí)候速度都是比較快的。在其他部位，比如扁管內(nèi)都是比較低的。對照組，是在實(shí)驗(yàn)組的基礎(chǔ)上增加了水室整流裝置，得出的結(jié)果是，防凍液速度分布不均勻的問題得到了明顯的改善。通過實(shí)驗(yàn)組和對照組的數(shù)據(jù)可以得出，在汽車的散熱器中添加整流罩是具有很大作用的。下圖1 和圖2 分別是沒有添加整流罩時(shí)傳統(tǒng)散熱器上水室內(nèi)流動(dòng)矢量圖和新型散熱器上水室內(nèi)流動(dòng)矢量圖。通過這兩個(gè)圖片的對比，可以明顯看出，新散熱器中防凍液的速度不均問題得到了明顯改善。

圖1 傳統(tǒng)散熱器上水室內(nèi)流動(dòng)矢量圖

圖2 新型散熱器上水室內(nèi)流動(dòng)矢量圖

從上面兩個(gè)圖片的對比中，可以明顯的看出，添加整體流罩是很有必要的，同時(shí)也是很有實(shí)際操作意義的。在實(shí)驗(yàn)組中，是沒有添加整流罩時(shí)，不管是在上水室還是在下水室，防凍液中的漩渦還是很明顯的。同時(shí)，漩渦會(huì)對防凍液的流速產(chǎn)生比較明顯的影響，很容易使得扁管內(nèi)的流速不均勻，同時(shí)壓力也不均勻。在對照組中添加了整流罩后，不管是在上水室，還是在下水室，防凍液的漩渦都明顯減少了很多。同時(shí)，扁管中防凍液的流速變得均勻。

3.4 實(shí)際測試驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M得出的裝置還需要進(jìn)行實(shí)際的實(shí)體測試，才能保證將其實(shí)際應(yīng)用時(shí)是安全可靠的。進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，首先需要將散熱器按照實(shí)際的情況進(jìn)行裝車。實(shí)驗(yàn)中是將散熱器安裝在250kg 的機(jī)械振動(dòng)測試臺(tái)上。然后，在散熱器的內(nèi)部裝滿常溫的水，再進(jìn)行密封。機(jī)械振動(dòng)測試臺(tái)的振動(dòng)頻率設(shè)置為30HZ，加速度為30 米每秒。最后對產(chǎn)品進(jìn)行五個(gè)方向的測試，分別是垂直方向，前后和作用方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試，測試的結(jié)構(gòu)是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的。進(jìn)行多次的測試反復(fù)驗(yàn)證，都沒有出現(xiàn)扁管爆裂的問題。這就充分說明了整流散熱器是可以有效的減少汽車的散熱器扁管爆裂問題。

4 結(jié)論

當(dāng)前，汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)的工作量很多都是超負(fù)荷的，所以需要進(jìn)行設(shè)計(jì)上的升級(jí)和優(yōu)化?，F(xiàn)在的汽車對散熱器的體積和質(zhì)量都有比較嚴(yán)格的要求。汽車的散熱器不僅需要有比較好的散熱性能，還需要有比較好的散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命。在實(shí)驗(yàn)組中，是沒有添加整流罩時(shí)，不管是在上水室還是在下水室，防凍液中的漩渦還是很明顯的。同時(shí)，漩渦會(huì)對防凍液的流速產(chǎn)生比較明顯的影響，很容易使得扁管內(nèi)的流速不均勻，同時(shí)壓力也不均勻。在對照組中添加了整流罩后，不管是在上水室，還是在下水室，防凍液的漩渦都明顯減少了很多。同時(shí)，扁管中防凍液的流速變得均勻。通過實(shí)驗(yàn)對比，可以明顯看出，新散熱器中防凍液的速度不均問題得到了明顯改善。在汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中散熱器是很重要的一個(gè)組成部件。散熱器功能的高低不僅對內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力有很明顯的影響，還會(huì)對整個(gè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值有很大的影響。所以在新型汽車的散熱器中加入整流罩，不僅可以使得防凍液流速均勻，減少扁管爆裂的概率，還可可以提高汽車散熱器的使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。