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应力分析下新型汽车散热器设计

2020-10-31 11:04 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

摘要:汽车技术发展推动了我国汽车工业不断进步,汽车逐渐成为了国内家住必备产品。因此,人们对汽车运行安全性和可靠性提出了新要求,成为了当前人们关注的重点。汽车散热器是汽车非常重要的结构,它为汽车发动机提供冷却作用,但是在实际应用中,汽车散热器经常出现爆裂或者裂纹等现象,为汽车行驶带来了安全隐患。以汽车散热器为研究对象,通过研究汽车散热器应力集中问题,并基于疲劳理论提出了汽车散热器的新型设计,最后运用湍流模型对散热器进行仿真模拟。研究显示,改进的汽车散热器可以很好的改善应力集中问题,提高散热器的稳定性和散热性能,延长其寿命。

关键词:汽车散热器;应力分析;数值模拟

近些年来,我国的高速公路得到了快速的发展。高速公路的发展里程不仅变得越来越长,汽车也不断的向比较高的速度类型发展。所以,越来越多的用户对表大功率的发动机有比较强烈的需求。当前,汽车的发动机的工作量很多都是超负荷的,所以需要进行设计上的升级和优化。现在的汽车的汽车对散热器的体积和质量都有比较严格的要求。汽车的散热器不仅需要有比较好的散热性能,还需要有比较好的散热器结构强度和使用寿命。当汽车在进行散热器的研究和出样后,首先就需要对散热器的各种性能指标进行测试,从而确保这些散热器部件可以安全使用。

1汽车散热器应力分析

当前市场上主要销售的散热器主要组成部件由以下六个部件。第一个是散热器防冻液的出口。第二个是散热器防冻液的入口。第三个是散热器的上水室。第四个是散热器的下水室。第五个是散热器的扁管。第六个是散热器的散热带。扁管一般是放在上下水室之间的,同时扁管也是穿插在散热器中间的。总之,各个部分是相互联系在一起,同时又相互影响的。在汽车运行的过程中,发动机会不断地产生热能。当热能积累到一定量时会反过来影响到防冻液。随着热量的增加,温度不断的变高,防冻液会逐渐从入口转移到上水室。当防冻液经过散热扁管时,因为扁管是穿插在散热带中的,所以会带动散热带开始工作。散热带可以将温度比较高防冻液进行冷却降温。所以,在散热带的作用下,防冻液会再次流入到下水室,同时再次恢复冷却的功能,达到帮助发动机降温的目的。从而保证行驶过程中,汽车的发动机可以稳定的运行,保证安全。但是,根据历来的调查和研究数据看,汽车的散热器在散热的过程中扁管比较容易出现问题。扁管比较容易的出现问题的方式有两种,一种是扁管出现裂纹,一种是扁管出现爆裂。当在炎热的季节,扁管更加容易出现问题。当扁管出现问题时,散热器在工作的过程中比较容易受到影响,还会较低发动机的使用寿命。为了解决散热器在实际工作中遇到的这个问题,需要对散热器的扁管出现问题的原因进行分析,找到造成扁管出现裂纹或者爆裂的影响因素,从而找到解决问题的办法。通过利用显微镜对散热器的扁管进行观察发现,扁管比较容易出现问题的位置有两个,一个是在扁管的平面位置,一个是在扁管的弯曲位置。扁管不同的位置的状态是不同的。通过一系列的数据研究分析得出,扁管出现裂纹或者爆炸的根本原因是在某些部位出现应力过于集中。通过数据研究分析得出,扁管出现应力过于集中的原因主要有两个。第一个原因是在防冻液流入到上下水室的时候,其截面差别比较大,很容易导致应力过于集中。第二个原因是,散热器扁管的形状种有平面部分,也有曲面部分,所以在防冻液工作的过程中是不能均匀的将液体分散开的。当防冻液的分流作用不均匀时,液体的流速也是不同的。防冻液在进入入水口的时候,不仅流量比较大,流速也是比较快的,所以也会出现应力过于集中的问题。

2基于应力分析的新型汽车散热器设计

汽车的很多零件都是在循环的荷载力下进行工作的。汽车循环荷载力的应力比材料的屈服强度是要差一些的。汽车在循环荷载力的作用下因为工作时间长后出现断裂的现象称之为疲劳运作。当汽车的零件长时间处于疲劳工作的环境下,就很容易出现失效的问题。汽车零件疲劳运作不能会破坏材料的内部结构,还会逐渐的损失汽车内核。随着时间的推移就会出现开裂和裂纹扩展等一系列问题,最终导致整个的零件被破坏掉。为了解决零件疲劳的问题,在进行设计的时候需要进行抗疲劳设计,其实际准则有三个,第一准则不限寿命的设计准则,第二个准则是安全寿命的设计准则,第三个是失效的安全设计,具体如下:

2.1不设寿命的设计准则。在汽车零件的抗疲劳设计中,不限寿命的设计准则是最早的设计准则。在其设计原则中,是要求零构件的设计应力是要比其疲劳极限要低一些的,从而可以延长零件的使用寿命。

2.2安全寿命的设计准则。在很多的汽车零件抗疲劳设计中,很多零件都是根据有限的使用寿命来进行设计的,这种设计原则也可以称为安全寿命的设计准则。零件的有限寿命设计是保证零件在规定的使用年限内可以安全使用。所以在安全寿命设计中,零部件的工作应力是可以超过其疲劳的极限,从而使得自身的重量可以减轻。

2.3失效的安全设计准则。在该准则中,疲劳裂纹是可以出现的,但是需要进行定期的检查。一般而言,汽车零部件出现裂纹并不会破坏整个的结构。但是,当裂纹出现后不进行检测和修理,就很容易使得裂纹进一步的扩展,时间长了,最终还是会产生问题。所以,在进行失效的安全设计时,可以在结构设计上进行荷载力转移。

3Fluent数值模拟及优化分析

3.1计算域的确定和参数设定本实验研究的对象是汽车领域中,散热器的内流体的流动区域。实验采取的模型是湍流模型。

3.2数值模拟仿真。湍流模型的模拟过程是一个比较复杂的过程。第一步是需要进行汽车散热器模型的绘制,通常用到的工具是前处理器Gambit。第二是将水室和扁管进行分割,因为散热器模拟模型中,不管是上水室,还是下水室都和扁管的尺寸差异比较大,所以常常会使用到split进行分割。具体说来,是在进行网格划分的时候需要用到两种方式,一种是Hex方式,一种是Tex/Hybrid方式。在处理散热器的中间部分时,常常使用的是Hex选项中的Max。在处理上水室和下水室的部分时,常常使用的是Tex/Hybrid选项中的TGrid。通过网格设计的方法,可以很好的检查出网格的质量状态,看是否达到要求。第三步是对散热器的进水口面和入水口面的设计,通常用VELOCITYINLET表示入水口面,用OUTFLOW表示出水口面。第四步是对数据的保存。可以将数据导入到FLUENT3D中。最后一步是读入网格文件,检查网格,平滑网格。可以利用不同的颜色来表示不同的速度流,从而可以观察到整个的速度变化。

3.3仿真结果分析。根据模拟实验中测试得到的一系列数据结果,再结合流体动力学仿真原理,可以得出散热器中防冻液在上水室、下水室和扁管中的流动速度。根据实验数据可以看出,防冻液的流动速度是不同的,并且速度的差异也比较大。防冻液在入口和出口的时候速度都是比较快的。在其他部位,比如扁管内都是比较低的。对照组,是在实验组的基础上增加了水室整流装置,得出的结果是,防冻液速度分布不均匀的问题得到了明显的改善。通过实验组和对照组的数据可以得出,在汽车的散热器中添加整流罩是具有很大作用的。下图1和图2分别是没有添加整流罩时传统散热器上水室内流动矢量图和新型散热器上水室内流动矢量图。通过这两个图片的对比,可以明显看出,新散热器中防冻液的速度不均问题得到了明显改善。从上面两个图片的对比中,可以明显的看出,添加整体流罩是很有必要的,同时也是很有实际操作意义的。在实验组中,是没有添加整流罩时,不管是在上水室还是在下水室,防冻液中的漩涡还是很明显的。同时,漩涡会对防冻液的流速产生比较明显的影响,很容易使得扁管内的流速不均匀,同时压力也不均匀。在对照组中添加了整流罩后,不管是在上水室,还是在下水室,防冻液的漩涡都明显减少了很多。同时,扁管中防冻液的流速变得均匀。

3.4实际测试验证。通过实验模拟得出的装置还需要进行实际的实体测试,才能保证将其实际应用时是安全可靠的。进行实际测试时,首先需要将散热器按照实际的情况进行装车。实验中是将散热器安装在250kg的机械振动测试台上。然后,在散热器的内部装满常温的水,再进行密封。机械振动测试台的振动频率设置为30HZ,加速度为30米每秒。最后对产品进行五个方向的测试,分别是垂直方向,前后和作用方向。实验结束后,对实验数据进行了测试,测试的结构是符合国家标准的。进行多次的测试反复验证,都没有出现扁管爆裂的问题。这就充分说明了整流散热器是可以有效的减少汽车的散热器扁管爆裂问题。

4结论

当前,汽车的发动机的工作量很多都是超负荷的,所以需要进行设计上的升级和优化。现在的汽车对散热器的体积和质量都有比较严格的要求。汽车的散热器不仅需要有比较好的散热性能,还需要有比较好的散热器结构强度和使用寿命。在实验组中,是没有添加整流罩时,不管是在上水室还是在下水室,防冻液中的漩涡还是很明显的。同时,漩涡会对防冻液的流速产生比较明显的影响,很容易使得扁管内的流速不均匀,同时压力也不均匀。在对照组中添加了整流罩后,不管是在上水室,还是在下水室,防冻液的漩涡都明显减少了很多。同时,扁管中防冻液的流速变得均匀。通过实验对比,可以明显看出,新散热器中防冻液的速度不均问题得到了明显改善。在汽车的发动机冷却系统中散热器是很重要的一个组成部件。散热器功能的高低不仅对内燃机的动力有很明显的影响,还会对整个的经济价值有很大的影响。所以在新型汽车的散热器中加入整流罩,不仅可以使得防冻液流速均匀,减少扁管爆裂的概率,还可可以提高汽车散热器的使用寿命和经济效益。

作者:孙英嘉 单位:富奥汽车零部件股份有限公司散热器分公司

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