冷卻模塊的振動疲勞特性分析與優(yōu)化

陳 倩，王 永，王大健，王 浩，張金森，戴 丹

（南京協(xié)眾汽車空調(diào)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211100）

針對冷卻模塊懸置系統(tǒng)，其剛體模態(tài)頻率需要避開發(fā)動機(jī)二階點(diǎn)火頻率，且冷卻模塊彈性模態(tài)頻率需要大于本身風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的頻率。其中，剛體模態(tài)頻率主要根據(jù)整車的模態(tài)分布為基礎(chǔ)對冷卻模塊懸置系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先建立較為準(zhǔn)確的懸置系統(tǒng)分析模型，在開發(fā)前期對整個模塊懸置系統(tǒng)的剛度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。而對于整個模塊強(qiáng)度方面，需要滿足隨機(jī)振動工況下結(jié)構(gòu)未發(fā)生振動疲勞損傷。結(jié)構(gòu)振動疲勞一般將樣件以整車安裝方式安裝在工裝上，然后將工裝固定在振動臺上，首先進(jìn)行掃頻試驗(yàn)獲取傳遞函數(shù)，其次進(jìn)行振動疲勞試驗(yàn)，而對有特別需求或產(chǎn)生共振需要獲取其頻率與振型的產(chǎn)品，則使用錘擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。

1 冷卻模塊臺架試驗(yàn)

1.1 隨機(jī)振動試驗(yàn)

試驗(yàn)開始前，首先對各零部件進(jìn)行檢查，確保各個安裝點(diǎn)安裝到位。振動臺測試如圖1所示。

圖1 振動臺測試圖

本文所使用的PSD曲線來源于某主機(jī)廠車型開發(fā)初期的技術(shù)文件，如圖2所示為X方向的PSD曲線。

圖2 隨機(jī)振動試驗(yàn)工況

根據(jù)前端冷卻模塊振動耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將CRFM按照整車安裝狀態(tài)安裝在工裝上，整體使用復(fù)合電動振動系統(tǒng)試驗(yàn)臺分別進(jìn)行Z/X/Y這3個方向的隨機(jī)振動試驗(yàn)，每個方向要求測試時間為32h。

1.2 隨機(jī)振動試驗(yàn)結(jié)果

確保各部件及連接完好后，進(jìn)行冷卻模塊總成試驗(yàn)。振動時，在X方向振動20h左右斷裂，停止試驗(yàn)，斷裂位置為冷凝器左下方支架的圓孔處，且多個樣件均發(fā)生斷裂。斷裂圖片如圖3所示。

圖3 冷凝器左下支架斷裂

冷凝器支架失效工況為X方向振動，主要為振動疲勞失效為主，一般冷凝器支架發(fā)生斷裂的原因可能有：①焊接強(qiáng)度不夠，焊接品質(zhì)差；②支架強(qiáng)度不夠，在應(yīng)力集中位置發(fā)生疲勞破壞；③冷卻模塊總成發(fā)生共振。從斷裂位置可以判斷，開裂位置不在焊接處，排除①的可能性；同時振動試驗(yàn)時并未發(fā)生共振情況，排除③可能性。根據(jù)圖片判斷裂紋源由支架孔應(yīng)力集中產(chǎn)生，并且隨著交變載荷的增加，裂紋發(fā)生擴(kuò)展，最后引起支架斷裂。故此處斷裂為應(yīng)力集中導(dǎo)致局部高應(yīng)力區(qū)域疲勞破壞。

2 冷卻模塊振動特性分析

頻響分析之前，需要了解前端冷卻模塊整體的動態(tài)特性，故需進(jìn)行模態(tài)分析得到隨機(jī)振動載荷譜所覆蓋頻帶的每一階固有頻率。本節(jié)通過約束模態(tài)試驗(yàn)反推出前端冷卻模塊的仿真模型，然后再使用反推出的模型計(jì)算冷卻模塊的動態(tài)特性。

首先，分別對前端冷卻模塊各個零部件進(jìn)行有限元建模，由于此次橡膠墊模型較為復(fù)雜，且無原始結(jié)構(gòu)，無法建立橡膠超彈性本構(gòu)模型，也無相關(guān)的橡膠墊試驗(yàn)參數(shù)，故使用約束模態(tài)振動特性反推橡膠墊的剛度。

將前端冷卻模塊通過懸置裝置安裝在工裝上，通過振動臺帶動工裝，分別做X/Y/Z這3個方向的掃頻試驗(yàn)，試驗(yàn)圖片如圖4所示，掃頻結(jié)果如圖5所示。

圖4 3個方向掃頻試驗(yàn)

圖5 3個方向掃頻結(jié)果

由掃頻結(jié)果可以看出，X方向一階模態(tài)14.28Hz，Y方向一階模態(tài)21.15Hz，Z方向一階模態(tài)29.42Hz。

有限元模型中使用CBUSH單元模擬橡膠懸置，即將其簡化成沿3個彈性主軸方向具有剛度和阻尼的元件，并賦予剛度。經(jīng)過靈敏度分析，確定每個橡膠墊剛度對模態(tài)頻率影響的敏感程度后，再進(jìn)行多輪對比計(jì)算，最后得出剛度參數(shù)如表1所示。

表1 橡膠墊剛度

模態(tài)計(jì)算使用Lanczos法，計(jì)算得到冷卻模塊約束模態(tài)頻率及振型云圖如圖6所示。

圖6 3個方向一階模態(tài)振型云圖

將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，詳細(xì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)與仿真模態(tài)頻率對比

根據(jù)冷卻模塊的模態(tài)試驗(yàn)分析，得到3個方向的一階的固有頻率仿真與試驗(yàn)差異小于1Hz，頻率差異很小，確定了仿真模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)頻響計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)冷卻模塊隔振要求，需要保證冷卻模塊剛體模態(tài)的頻率低于發(fā)動機(jī)主要激勵，本文要求小于25Hz，本文冷卻模塊模態(tài)頻率符合要求。

3 冷卻模塊頻響分析

根據(jù)隨機(jī)振動疲勞分析理論，通過基于模態(tài)分析的頻響分析求得結(jié)構(gòu)的應(yīng)力傳遞函數(shù)，然后將功率譜密度曲線與應(yīng)力傳遞函數(shù)相乘，即可獲得應(yīng)力的功率譜密度曲線。

本小節(jié)使用有限元軟件Abaqus中的頻響分析，加載單位載荷的加速度得出等效應(yīng)力的傳遞函數(shù)，然后在疲勞分析軟件Ncode中將應(yīng)力傳遞函數(shù)與功率譜密度進(jìn)行相乘，得到等效應(yīng)力的功率譜密度曲線，最后結(jié)合材料的應(yīng)力壽命曲線，即得到結(jié)構(gòu)的損傷與壽命。

基于前一節(jié)的模態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)行掃頻分析，設(shè)定冷卻模塊受到單位加速度的振動激勵，使用掃頻范圍5~250Hz，由于試驗(yàn)斷裂方向?yàn)閄方向，故本節(jié)主要針對X方向頻響進(jìn)行分析。本節(jié)使用Abaqus求解器求得冷卻模塊的頻響結(jié)果如圖7所示，輸出冷凝器左下支架應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖7 冷卻模塊應(yīng)力云圖

圖8 左下支架應(yīng)力云圖

從結(jié)果可以看出，冷凝器左下支架位置損傷最大，仿真得到危險點(diǎn)區(qū)域與試驗(yàn)斷裂位置相同。

4 冷卻模塊的疲勞特性分析及優(yōu)化

結(jié)合Abaqus分析得到的應(yīng)力分布，編制載荷譜，使用Ncode軟件中的振動疲勞Vibration模塊進(jìn)行疲勞分析。由于已經(jīng)了解斷裂工況為X方向隨機(jī)振動，故本次僅計(jì)算了X方向的振動壽命。將X方向PSD曲線導(dǎo)入Ncode軟件中，使用Dirlik的載荷循環(huán)計(jì)數(shù)方法，Goodman的平均應(yīng)力修正方法，進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞壽命預(yù)測?？紤]到計(jì)算32h的計(jì)算時間太長，本次僅計(jì)算1s結(jié)構(gòu)的損傷值，得到X方向支架損傷云圖如圖9所示。支架均方根應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖9 支架損傷云圖

圖10 支架RMISES云圖

計(jì)算得出支架孔處損傷值為1.7E-5，可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)循環(huán)16h左右斷裂，稍惡劣于實(shí)際斷裂時間20h，仿真結(jié)果趨于保守，分析結(jié)果可靠。

為了減少冷凝器左下支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，避免斷裂的發(fā)生，取消圓孔并加大支架根部圓角。

此處支架圓孔最初設(shè)計(jì)時主要作用是為低溫散熱器預(yù)留安裝點(diǎn)，考慮此款冷凝器平臺若應(yīng)用于新能源汽車時，需要懸掛低溫散熱器，故前期設(shè)計(jì)時預(yù)留了安裝孔。在傳統(tǒng)車設(shè)計(jì)時，經(jīng)過計(jì)算與試驗(yàn)，此處圓孔有應(yīng)力集中，故取消圓孔。后期設(shè)計(jì)新能源汽車的冷卻模塊系統(tǒng)時，由于低溫散熱器的大小與布置位置均有改變，即使前期預(yù)留的安裝孔存在，也無法安裝低溫散熱器，故將低溫散熱器的安裝方法改為通過連接塊焊接到冷凝器集流管上。更改方案如圖11所示。

圖11 支架更改圓角尺寸圖

對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，計(jì)算1s結(jié)構(gòu)的損傷值，得到X方向優(yōu)化支架損傷云圖如圖12所示。優(yōu)化支架X方向均方根應(yīng)力云圖如圖13所示。

圖12 優(yōu)化結(jié)構(gòu)支架損傷云圖

圖13 優(yōu)化結(jié)構(gòu)支架RMISES云圖

結(jié)果顯示，冷凝器左下支架位置的局部應(yīng)力大幅度降低，且通過其疲勞損傷云圖可以看出最大損傷為3.78E-8次，已經(jīng)達(dá)到無限壽命，X方向振動疲勞滿足要求。

X方向滿足要求后，分別進(jìn)行Z方向、X方向、Y方向的計(jì)算，使用Ncode軟件計(jì)算3個方向分別先后振動32h后，冷卻模塊的損傷。Ncode計(jì)算流程如圖14所示。

圖14 Ncode計(jì)算3個方向振動疲勞流程圖

3個方向先后振動32h后，得到冷卻模塊優(yōu)化后支架損傷云圖如圖15所示，支架均方根應(yīng)力如圖16所示。

圖15 優(yōu)化結(jié)構(gòu)支架3個方向損傷云圖

圖16 優(yōu)化結(jié)構(gòu)支架3個方向RMISES云圖

結(jié)果顯示，3個方向同時振動32h后，最大損傷為0.108，小于目標(biāo)值1，結(jié)構(gòu)滿足振動要求。

進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時，選擇3個樣件振動32h后并未損壞，同時針對樣件3進(jìn)行1.5倍時間的耐久振動后，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，如圖17所示，檢測并無泄露，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖17 冷凝器氣密性試驗(yàn)

5 結(jié)束語

本章通過對比仿真應(yīng)力頻響曲線與試驗(yàn)應(yīng)力頻響曲線，可以看出兩條曲線的幅值與趨勢大致相同，同時在共振點(diǎn)處，仿真的最大應(yīng)力稍大于試驗(yàn)的最大應(yīng)力，保證了仿真結(jié)果的安全性。證明后續(xù)產(chǎn)品的振動仿真模型可以通過對比模態(tài)測試結(jié)果驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的修正。

通過冷卻模塊的隨機(jī)振動疲勞分析，確定冷凝器左下支架孔處斷裂主要原因是應(yīng)力集中，通過填孔并且加大支架圓角，增加其強(qiáng)度，從而減少應(yīng)力集中，最后通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性，為后續(xù)系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。