應(yīng)力分析下新型汽車散熱器設(shè)計(jì)

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1、應(yīng)力分析下新型汽車散熱器設(shè)計(jì) 摘要：汽車技術(shù)發(fā)展推動(dòng)了我國(guó)汽車工業(yè)不斷進(jìn)步，汽車逐漸成為了國(guó)內(nèi)家住必備產(chǎn)品。因此，人們對(duì)汽車運(yùn)行安全性和可靠性提出了新要求，成為了當(dāng)前人們關(guān)注的重點(diǎn)。汽車散熱器是汽車非常重要的結(jié)構(gòu)，它為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供冷卻作用，但是在實(shí)際應(yīng)用中，汽車散熱器經(jīng)常出現(xiàn)爆裂或者裂紋等現(xiàn)象，為汽車行駛帶來(lái)了安全隱患。以汽車散熱器為研究對(duì)象，通過(guò)研究汽車散熱器應(yīng)力集中問(wèn)題，并基于疲勞理論提出了汽車散熱器的新型設(shè)計(jì)，最后運(yùn)用湍流模型對(duì)散熱器進(jìn)行仿真模擬。研究顯示，改進(jìn)的汽車散熱器可以很好的改善應(yīng)力集中問(wèn)題，提高散熱器的穩(wěn)定性和散熱性能，延長(zhǎng)其壽命。 關(guān)鍵詞：汽車散熱器；

2、應(yīng)力分析；數(shù)值模擬 近些年來(lái)，我國(guó)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(lái)越長(zhǎng)，汽車也不斷的向比較高的速度類型發(fā)展。所以，越來(lái)越多的用戶對(duì)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(duì)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(duì)散熱器的各種性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)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(chǎng)上主要銷售的散熱

3、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(guò)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(guò)來(lái)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(guò)散熱扁管時(shí)，因?yàn)楸夤苁谴┎逶谏釒е械?，所以?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

4、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(guò)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(lái)的調(diào)查和研究數(shù)據(jù)看，汽車的散熱器在散熱的過(guò)程中扁管比較容易出現(xiàn)問(wèn)題。扁管比較容易的出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題。當(dāng)扁管出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，散熱器在工作的過(guò)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(wèn)題，需要對(duì)散熱器的扁管出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題的辦法。通過(guò)利用顯微鏡對(duì)散熱器的扁管進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，扁管比較容易

5、出現(xiàn)問(wèn)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(guò)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(guò)于集中。通過(guò)數(shù)據(jù)研究分析得出，扁管出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)于集中的問(wèn)題。

6、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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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：

7、 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(zhǎng)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(lái)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(guò)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

8、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(cè)和修理，就很容易使得裂紋進(jìn)一步的擴(kuò)展，時(shí)間長(zhǎng)了，最終還是會(huì)產(chǎn)生問(wèn)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。 3Fluent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(duì)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(guò)程是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)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

9、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(shuō)來(lái)，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(guò)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)的保存?？梢詫?shù)據(jù)導(dǎo)入到FLUENT3D中。最后一步是讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，平滑網(wǎng)格。可以利用不

10、同的顏色來(lái)表示不同的速度流，從而可以觀察到整個(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(cè)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(duì)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(wèn)題得到了明顯的改善。通過(guò)實(shí)驗(yàn)組和對(duì)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(méi)有添加整流罩時(shí)傳統(tǒng)散熱器上水室內(nèi)

11、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(guò)這兩個(gè)圖片的對(duì)比，可以明顯看出，新散熱器中防凍液的速度不均問(wèn)題得到了明顯改善。從上面兩個(gè)圖片的對(duì)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(méi)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(duì)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(duì)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(cè)試驗(yàn)證。通過(guò)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(cè)試

12、，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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行五個(gè)方向的測(cè)試，分別是垂直方向，前后和作用方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試的結(jié)構(gòu)是符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的。進(jìn)行多次的測(cè)試反復(fù)驗(yàn)證，都沒(méi)有出現(xiàn)扁管爆裂的問(wèn)題。這就充分說(shuō)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(wèn)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

13、。現(xiàn)在的汽車對(duì)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(méi)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(duì)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以明顯看出，新散熱器中防凍液的速度不均問(wèn)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(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力有很明顯的影響，還會(huì)對(duì)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。