應力分析下新型汽車散熱器設計

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1、應力分析下新型汽車散熱器設計 摘要：汽車技術(shù)發(fā)展推動了我國汽車工業(yè)不斷進步，汽車逐漸成為了國內(nèi)家住必備產(chǎn)品。因此，人們對汽車運行安全性和可靠性提出了新要求，成為了當前人們關(guān)注的重點。汽車散熱器是汽車非常重要的結(jié)構(gòu)，它為汽車發(fā)動機提供冷卻作用，但是在實際應用中，汽車散熱器經(jīng)常出現(xiàn)爆裂或者裂紋等現(xiàn)象，為汽車行駛帶來了安全隱患。以汽車散熱器為研究對象，通過研究汽車散熱器應力集中問題，并基于疲勞理論提出了汽車散熱器的新型設計，最后運用湍流模型對散熱器進行仿真模擬。研究顯示，改進的汽車散熱器可以很好的改善應力集中問題，提高散熱器的穩(wěn)定性和散熱性能，延長其壽命。關(guān)鍵詞：汽車散熱器；應力分析；數(shù)值模擬近些年

2、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)動機有比較強烈的需求。當前，汽車的發(fā)動機的工作量很多都是超負荷的，所以需要進行設計上的升級和優(yōu)化?，F(xiàn)在的汽車的汽車對散熱器的體積和質(zhì)量都有比較嚴格的要求。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)強度和使用壽命。當汽車在進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進行測試，從而確保這些散熱器部件可以安全使用。1汽車散熱器應力分析當前市場上主要銷售的散熱器主要組成部件由以下六個部件。第一個是散熱器防凍液的出口。第二個是

3、散熱器防凍液的入口。第三個是散熱器的上水室。第四個是散熱器的下水室。第五個是散熱器的扁管。第六個是散熱器的散熱帶。扁管一般是放在上下水室之間的，同時扁管也是穿插在散熱器中間的?？傊?，各個部分是相互聯(lián)系在一起，同時又相互影響的。在汽車運行的過程中，發(fā)動機會不斷地產(chǎn)生熱能。當熱能積累到一定量時會反過來影響到防凍液。隨著熱量的增加，溫度不斷的變高，防凍液會逐漸從入口轉(zhuǎn)移到上水室。當防凍液經(jīng)過散熱扁管時，因為扁管是穿插在散熱帶中的，所以會帶動散熱帶開始工作。散熱帶可以將溫度比較高防凍液進行冷卻降溫。所以，在散熱帶的作用下，防凍液會再次流入到下水室，同時再次恢復冷卻的功能，達到幫助發(fā)動機降溫的目的。從而

4、保證行駛過程中，汽車的發(fā)動機可以穩(wěn)定的運行，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。當在炎熱的季節(jié)，扁管更加容易出現(xiàn)問題。當扁管出現(xiàn)問題時，散熱器在工作的過程中比較容易受到影響，還會較低發(fā)動機的使用壽命。為了解決散熱器在實際工作中遇到的這個問題，需要對散熱器的扁管出現(xiàn)問題的原因進行分析，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行觀察發(fā)現(xiàn)，扁管比較容易出現(xiàn)問題的位置有兩個，一個是在扁管的平面位置，一個是在扁管的彎曲位

5、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)應力過于集中。通過數(shù)據(jù)研究分析得出，扁管出現(xiàn)應力過于集中的原因主要有兩個。第一個原因是在防凍液流入到上下水室的時候，其截面差別比較大，很容易導致應力過于集中。第二個原因是，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。當防凍液的分流作用不均勻時，液體的流速也是不同的。防凍液在進入入水口的時候，不僅流量比較大，流速也是比較快的，所以也會出現(xiàn)應力過于集中的問題。2基于應力分析的新型汽車散熱器設計汽車的很多零件都是在循環(huán)的荷載力下進行工作的。

6、汽車循環(huán)荷載力的應力比材料的屈服強度是要差一些的。汽車在循環(huán)荷載力的作用下因為工作時間長后出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象稱之為疲勞運作。當汽車的零件長時間處于疲勞工作的環(huán)境下，就很容易出現(xiàn)失效的問題。汽車零件疲勞運作不能會破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還會逐漸的損失汽車內(nèi)核。隨著時間的推移就會出現(xiàn)開裂和裂紋擴展等一系列問題，最終導致整個的零件被破壞掉。為了解決零件疲勞的問題，在進行設計的時候需要進行抗疲勞設計，其實際準則有三個，第一準則不限壽命的設計準則，第二個準則是安全壽命的設計準則，第三個是失效的安全設計，具體如下：2.1不設壽命的設計準則。在汽車零件的抗疲勞設計中，不限壽命的設計準則是最早的設計準則。在其設計原則

7、中，是要求零構(gòu)件的設計應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安全壽命的設計準則。在很多的汽車零件抗疲勞設計中，很多零件都是根據(jù)有限的使用壽命來進行設計的，這種設計原則也可以稱為安全壽命的設計準則。零件的有限壽命設計是保證零件在規(guī)定的使用年限內(nèi)可以安全使用。所以在安全壽命設計中，零部件的工作應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失效的安全設計準則。在該準則中，疲勞裂紋是可以出現(xiàn)的，但是需要進行定期的檢查。一般而言，汽車零部件出現(xiàn)裂紋并不會破壞整個的結(jié)構(gòu)。但是，當裂紋出現(xiàn)后不進行檢測和修理，就很容易使得裂紋進一步的擴展，時間長了，最終還是會產(chǎn)生問

8、題。所以，在進行失效的安全設計時，可以在結(jié)構(gòu)設計上進行荷載力轉(zhuǎn)移。3Fluent數(shù)值模擬及優(yōu)化分析3.1計算域的確定和參數(shù)設定本實驗研究的對象是汽車領(lǐng)域中，散熱器的內(nèi)流體的流動區(qū)域。實驗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比較復雜的過程。第一步是需要進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行分割，因為散熱器模擬模型中，不管是上水室，還是下水室都和扁管的尺寸差異比較大，所以常常會使用到split進行分割。具體說來，是在進行網(wǎng)格劃分的時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

9、分時，常常使用的是Hex選項中的Max。在處理上水室和下水室的部分時，常常使用的是Tex/Hybrid選項中的TGrid。通過網(wǎng)格設計的方法，可以很好的檢查出網(wǎng)格的質(zhì)量狀態(tài)，看是否達到要求。第三步是對散熱器的進水口面和入水口面的設計，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?？梢詫?shù)據(jù)導入到FLUENT3D中。最后一步是讀入網(wǎng)格文件，檢查網(wǎng)格，平滑網(wǎng)格?？梢岳貌煌念伾珌肀硎静煌乃俣攘?，從而可以觀察到整個的速度變化。3.3仿真結(jié)果分析。根據(jù)模擬實驗中測試得到的一系列數(shù)據(jù)結(jié)果，再結(jié)合流體動力學仿真原理，可以得出散熱器中防凍液在上水室、下

10、水室和扁管中的流動速度。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以看出，防凍液的流動速度是不同的，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，是在實驗組的基礎(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。通過實驗組和對照組的數(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傳統(tǒng)散熱器上水室內(nèi)流動矢量圖和新型散熱器上水室內(nèi)流動矢量圖。通過這兩個圖片的對比，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。從上面兩個圖片的對比中，可以明顯的看出，添加整體流罩是很有必要的，同

11、時也是很有實際操作意義的。在實驗組中，是沒有添加整流罩時，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，漩渦會對防凍液的流速產(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，扁管中防凍液的流速變得均勻。3.4實際測試驗證。通過實驗模擬得出的裝置還需要進行實際的實體測試，才能保證將其實際應用時是安全可靠的。進行實際測試時，首先需要將散熱器按照實際的情況進行裝車。實驗中是將散熱器安裝在250kg的機械振動測試臺上。然后，在散熱器的內(nèi)部裝滿常溫的水，再進行密封。機械振動測試臺

12、的振動頻率設置為30HZ，加速度為30米每秒。最后對產(chǎn)品進行五個方向的測試，分別是垂直方向，前后和作用方向。實驗結(jié)束后，對實驗數(shù)據(jù)進行了測試，測試的結(jié)構(gòu)是符合國家標準的。進行多次的測試反復驗證，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)論當前，汽車的發(fā)動機的工作量很多都是超負荷的，所以需要進行設計上的升級和優(yōu)化。現(xiàn)在的汽車對散熱器的體積和質(zhì)量都有比較嚴格的要求。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)強度和使用壽命。在實驗組中，是沒有添加整流罩時，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，漩渦會對防凍液的流速產(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，扁管中防凍液的流速變得均勻。通過實驗對比，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)動機冷卻系統(tǒng)中散熱器是很重要的一個組成部件。散熱器功能的高低不僅對內(nèi)燃機的動力有很明顯的影響，還會對整個的經(jīng)濟價值有很大的影響。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)濟效益。