商用車壓鑄鋁合金冷凝器支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉嬌霞， 崔 震， 張烈明， 王 娜， 王春迎

（浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司 汽車研究院， 山東 日照 276800）

0 引言

隨著運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展， 載貨汽車的銷量也大幅增長(zhǎng)。同時(shí)節(jié)能減排的環(huán)境保護(hù)理念不斷發(fā)展，對(duì)于汽車輕量化的要求越來越高[1]，因此各大車企紛紛花大力氣節(jié)能降耗。汽車輕量化無疑是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的主要途徑之一。冷凝器是空調(diào)系統(tǒng)重要組成部分，其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能對(duì)于整車?yán)鋮s功能的正常使用有著基礎(chǔ)性影響[2]，合理的冷凝器支架結(jié)構(gòu)， 會(huì)有效的保證冷卻系統(tǒng)功能的高效使用[3]。同時(shí)進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠獲得更多的降重空間[4]。 傳統(tǒng)的冷凝器多為Q235A 材料沖壓成型，振動(dòng)明顯，且容易發(fā)生斷裂。結(jié)構(gòu)的失效大多發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域。 本文利用Hypermesh 軟件采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法全新設(shè)計(jì)YL104 壓鑄鋁合金冷凝器支架，同時(shí)綜合考慮其它相關(guān)性能要求，去除多余材料使材料合理分布。不僅有效的降低應(yīng)力集中從而減輕了支架重量， 同時(shí)提升了剛度、模態(tài)、強(qiáng)度等性能，對(duì)于商用車輕量化設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 原結(jié)構(gòu)冷凝器支架強(qiáng)度、剛度、模態(tài)分析

1.1 基礎(chǔ)載荷獲取

冷凝器支架所承載的冷凝器總成重量為7.335kg，因此支架所承受的力為73.35N。 冷凝器總成的質(zhì)心坐標(biāo)為（-674.289，566.716，-170.115）（基于整車坐標(biāo)系）。

1.2 工況研究

1.2.1 五種典型工況

根據(jù)冷凝器支架實(shí)際的載荷情況，選取沖擊、加速、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)五種典型工況進(jìn)行冷凝器支架的CAE 分析，具體工況描述參見表1。模型簡(jiǎn)化的約束條件為：支架與車架連接孔固定約束，見圖1。

表1 五種典型工況Tab.1 Five typical working conditions

圖1 原結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original structure model

1.2.2 負(fù)載模態(tài)分析

計(jì)算原結(jié)構(gòu)的前六階負(fù)載模態(tài)。

1.3 分析結(jié)果

圖2～圖6 為五種典型工況的分析結(jié)果，沖擊工況時(shí)，冷凝器支架的Mises 應(yīng)力和位移最大， 分別為32MPa 和0.33mm，一階負(fù)載模態(tài)為137Hz。

圖2 原結(jié)構(gòu)五種工況最大Mises 應(yīng)力Fig.2 Maximum mises stress of the original structure under five working conditions

圖3 原結(jié)構(gòu)五種工況最大位移Fig.3 Maximum displacement of the original structure under five working conditions

圖4 原結(jié)構(gòu)沖擊工況Mises 應(yīng)力Fig.4 Mises stress under impact condition of the original structure

圖5 原結(jié)構(gòu)沖擊工況位移Fig.5 Displacement under impact condition of the original structure

圖6 原結(jié)構(gòu)一階負(fù)載模態(tài)Fig.6 First-order mode of the original structure with load consideration

雖然此原結(jié)構(gòu)滿足基本的使用要求， 但是重量為2.31kg，較笨重。為了商用車輕量化的需求，對(duì)冷凝器支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)計(jì)新材料新結(jié)構(gòu)。

2 拓?fù)鋬?yōu)化

對(duì)冷凝器支架建立拓?fù)湓Ｐ停ㄍ負(fù)湓Ｐ徒⒌臏?zhǔn)則：只要不干涉的地方盡量補(bǔ)全材料）。約束：體積分?jǐn)?shù)為0.4，目標(biāo)：加權(quán)應(yīng)變能最小。 表2為拓?fù)湓Ｐ秃屯負(fù)浣Y(jié)果。

表2 拓?fù)湓Ｐ秃屯負(fù)浣Y(jié)果Tab.2 Original model and results of topology optimization

3 新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)最終拓?fù)浣Y(jié)果，綜合考慮壓鑄工藝方面，設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 冷凝器支架新結(jié)構(gòu)Fig.7 New structure of condenser bracket

出于輕量化的考慮，冷凝器支架新結(jié)構(gòu)采用YL104 壓鑄鋁合金。 材料參數(shù)：彈性模量69GPa，泊松比0.33，密度2.7×103kg/m3，抗拉強(qiáng)度220MPa， 斷裂延伸率2%。

4 新結(jié)構(gòu)CAE 分析

載荷工況與原結(jié)構(gòu)CAE 分析時(shí)保持一致。 圖8～圖12 為五種典型工況新結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，可以看出，沖擊工況時(shí)新結(jié)構(gòu)的Mises 應(yīng)力和位移最大，分別為8.9MPa 和0.069mm，一階負(fù)載模態(tài)為354Hz。

圖9 新結(jié)構(gòu)五種工況最大位移Fig.9 Maximum displacement of the new structure under five working conditions

圖10 新結(jié)構(gòu)沖擊工況Mises 應(yīng)力Fig.10 Mises stress under impact condition of the new structure

圖11 新結(jié)構(gòu)沖擊工況位移Fig.11 Displacement under impact condition of the new structure

圖12 新結(jié)構(gòu)一階負(fù)載模態(tài)Fig.12 First-order mode of the new structure with load consideration

5 對(duì)比分析結(jié)果匯總

對(duì)比分析結(jié)果見表3。 通過表3 可以看出，冷凝器支架新結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)重量降低46%，安全系數(shù)提升112.9%。

表3 冷凝器支架新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)理論分析結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of theoretical analysis results between the new structure and the original structure of condenser bracket

6 新結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)

6.1 臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證冷凝器支架新結(jié)構(gòu)防振動(dòng)功能是否達(dá)標(biāo)，利用MPA406 型號(hào)的電磁振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)冷凝器總成在常溫、常濕環(huán)境下進(jìn)行臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表4。 試驗(yàn)照片見圖13 和圖14。 經(jīng)過兩天的振動(dòng)試驗(yàn)，檢查冷凝器支架新結(jié)構(gòu)沒有斷裂、變形、損壞現(xiàn)象。

表4 振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Parameters of vibration bench test

圖13 振動(dòng)試驗(yàn)整體圖Fig.13 Overall picture of vibration bench test

圖14 振動(dòng)試驗(yàn)支架圖Fig.14 Bracket picture of vibration bench test

6.2 可靠性試驗(yàn)

為驗(yàn)證冷凝器支架新結(jié)構(gòu)的可靠性，搭載在整車上進(jìn)行整車可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)按照企業(yè)的整車可靠性試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行。 試驗(yàn)結(jié)束檢查冷凝器支架新結(jié)構(gòu)，無斷裂、變形、損壞現(xiàn)象發(fā)生。 圖15 為經(jīng)過可靠性試驗(yàn)之后的支架照片。

圖15 經(jīng)過可靠性試驗(yàn)的冷凝器支架新結(jié)構(gòu)Fig.15 New structure of condenser bracket after reliability test

7 結(jié)論

本文利用拓?fù)鋬?yōu)化的方法對(duì)冷凝器支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 并出于輕量化的考慮采用質(zhì)量更輕、 性能較好的YL104 壓鑄鋁合金材料。

冷凝器支架新結(jié)構(gòu)比原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、 剛度等性能都有明顯提升。安全系數(shù)提升112.9%。有效的避免了汽車行駛過程中冷凝器總成振動(dòng)明顯的現(xiàn)象。同時(shí)重量降低46%，符合商用車車輕量化的需求。

壓鑄鋁合金材料相比傳統(tǒng)鑄造工藝具有較高的精度，材料利用率高。應(yīng)用于商用車?yán)淠髦Ъ懿粌H能顯著降低重量而且能有效的保證性能。 壓鑄鋁合金材料在商用車行業(yè)的廣泛應(yīng)用對(duì)于降低整車重量、降低油耗、提高燃油經(jīng)濟(jì)性能具有重要意義。

新設(shè)計(jì)的冷凝器支架通過了臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)和整車可靠性搭載試驗(yàn)， 應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是指導(dǎo)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、保證設(shè)計(jì)結(jié)果可靠度的重要手段。