基于HyperMesh的汽車發(fā)動機冷卻風扇有限元分析

陳凱

摘要：發(fā)動機風扇因其在冷卻系統(tǒng)中的重要性而備受關注，但扇葉的斷裂也使設計者備受困擾，同時給使用者也帶來諸多的麻煩。針對以上問題，在HyperMesh中首先對風扇進行前期的幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學分析和模型優(yōu)化析最后通過模態(tài)分析對優(yōu)化后的模型進行驗證等完成發(fā)動機冷卻風扇的有限元分析，結果表明：模態(tài)分析的前六階的振動頻率和主振型都比較穩(wěn)定證明優(yōu)化的可行性。進而提高風扇的靜力學性能，改善風扇的工作質量。

Abstract： The engine fan has attracted much attention because of its importance in the cooling system， but the fracture of the fan blade also troubles the designer， and also brings a lot of trouble to the user. In view of the above problems， in HyperMesh， the fan is firstly subjected to geometric processing， meshing， static analysis and model optimization analysis， and finally the optimized model is verified through modal analysis to complete the finite element analysis of the engine cooling fan. The results show that the first six vibration frequencies and main vibration modes of the modal analysis are relatively stable， which proves the feasibility of optimization. In turn， the static performance of the fan is improved， and the working quality of the fan is improved.

關鍵詞：HyperMesh;汽車發(fā)動機冷卻風扇;模態(tài)分析;振動頻率;主要振型

Key words： HyperMesh;automobile engine cooling fan;modal analysis;vibration frequency;main vibration mode

中圖分類號：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0024-02

0? 引言

隨著科技的發(fā)展汽車在我們的生活中扮演著越來越重要的角色，這也就要求著汽車必須具備更加優(yōu)秀的性能，其中冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣至關重要;但發(fā)動機風扇的斷裂問題長期困擾使用者和廠家，國內外專家也對此做了大量的研究。1997年S.Moreau等[1，2]首次應用流體力學展開對發(fā)動機風扇的研究，大大的縮短了開發(fā)時間;1999年Roy.S等[3，4]應用CFD技術對優(yōu)化后的七葉風扇進行仿真，驗證了有限元方法的有效性;2003年王學輝等[5]應用CFD技術對風扇進行數(shù)值模擬，證明了CFD技術有效改善風扇系統(tǒng)的設計;本研究通過應用限元分析軟件HyperMesh對風扇進行幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學分析和優(yōu)化等完成發(fā)動機冷卻風扇的有限元分析提高風扇的力學性能。

1? 發(fā)動機冷卻風扇有限元模型

在三維建模軟件Catia中完成發(fā)動機冷卻風扇的建模，通過HyperMesh的專門接口導入模型文件，可以確保該模型不會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。模型坐標系采用OXYZ直角動坐標系，在模型水平方向上，X軸平行水平地面指向前方，XOZ確保模型在平面內左右對稱，Y軸指向模型右方，Z軸通過風扇主軸指向上方;圖1為冷卻風扇的三維模型。

在HyperMesh軟件中導入冷卻風扇的三維模型文件，應用midsurface中面提取功能，提取模型的中面，因為從軟件中得到的中面幾何質量比較差存在著小孔、圓角、倒角等問題，所以模型在進行有限元分析之前，要先進行幾何處理，以減小其他因素對分析結果的影響。幾何清理工作主要包括細小孔、圓角以及面與面之間倒角等部位的去除。在補孔前對模型提取面，再通過生成臨時節(jié)點來測量模型中小孔的半徑，以便進行后續(xù)清理工作。前期處理是為了是模型網(wǎng)格的劃分更加順利的進行，使模型能夠在更合理的區(qū)域內劃分網(wǎng)格，提高模型網(wǎng)格劃分的質量，奠定后續(xù)的分析計算;劃分網(wǎng)格首先采用軟件自動網(wǎng)格生成工具進行劃分，因四邊形殼網(wǎng)格單元的質量最好所以以四邊形殼網(wǎng)格單元為主要的單元形態(tài)，三角形單元質量較差，所以如果必須使用三角形時盡量使用較少的三角形單元，從而避免局部剛性過大的問題。自動網(wǎng)格劃分完成后，對模型網(wǎng)格進行檢查，若有部分區(qū)域網(wǎng)格劃分效果不太理想，則手動進行調整，以得到盡可能合理的有限元分析網(wǎng)格模型。如圖2所示。

2? 分析

2.1 靜力分析

完成模型導入和網(wǎng)格劃分之中的所有步驟后建立載荷步loadstep然后提交Optistruct，將run option欄改為analysis，最后點擊Optistruct得到如圖3靜力分析云圖。

然后進行模型的優(yōu)化，在完成靜力分析的基礎上定義設計變量在analysis中打開optimization，在topology模塊中定義變量;然后在responses中定義響應變量在該模塊中分別定義質量vol和位移dis，接著是在objective中定義目標，在deonstraints中施加約束，最后提交將run0ption欄改為optimization，點擊optistruct得到如圖4優(yōu)化云圖。

2.2 模態(tài)分析

本次模態(tài)分析設置為六階模態(tài)，模態(tài)分析步驟與靜力分析相似首先定義好材料屬性然后定義和施加約束建立模態(tài)分析卡片最后建立載荷步提交得到分析云圖。模態(tài)分析結果云圖如圖5所示。

3? 結論

本文以汽車發(fā)動機冷卻風扇為研究對象，在HyperMesh中首先對風扇進行前期的幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學分析和模型優(yōu)化析最后通過模態(tài)分析對優(yōu)化后的模型進行驗證。在發(fā)動機冷卻風扇的靜力學分析中，該模型大部分區(qū)域應力和位移變化量符合設計要求;在汽車發(fā)動機冷卻風扇優(yōu)化混的模態(tài)分析驗證中，得到前6階的模態(tài)，結果顯示，比較穩(wěn)定不易產生共振。最后對該汽車發(fā)動機冷卻風扇進行優(yōu)化設計，鑒于該模型自身結構前期的優(yōu)化效果已經(jīng)不錯，可適當對汽車發(fā)動機冷卻風扇分區(qū)域進行尺寸優(yōu)化和輕量化，以節(jié)省材料，可為汽車發(fā)動機冷卻風扇的結構優(yōu)化設計提供參考。

參考文獻：

[1]Moreau S， Bennett E. Improvement of Fan Design Using CFD[J]. SAE Technical Paper Series， No. 970934.

[2]Coggiola E，Dessale B，Moreau S.CFD Based Design for Automotive Engine Cooling Fan Systems[J]. SAE Technical Paper Series， No. 980427.

[3]Oh K. J.， Kang S. H. Effects of Backplate on the Performance of a Small Propeller Fan[J]. Transactions of the KSME， 1996， 20（4）： 1491-1500.28： 815-823.

[4]Oh K. J.， Kang S. H. A Numerical Investigation of the Dual Performance Characteristics of A Small Propeller Fan Using Viscous Flow Calculations[J]. Computer & Fluids， 1999， 28： 815-823.

[5]汪學軍.前緣彎掠開式軸流風扇內流結構與特性的 PIV 實驗研究[D].武漢華中科技大學，2003.