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汽车空调进出水管结构有限元分析

发布于:2019-01-16 19:35
有限元分析

      蒸发器是汽车空调系统的一个主要部件,其作用是将从膨胀阀出来的低压制冷剂蒸发而吸取车内空气的热量,从而达到车内降温目的。文中针对某款装配SQR473发动机的车型在行驶2万多公里时,蒸发器芯进水管根部经常出现的断裂现象,运用有限元分析。根据蒸发器芯的结构和安装情况,初步判断主要是X向推力对进水管起主要破坏作用。从破坏的进水管上发现,进水管X正向的移动位移大概3mm左右。为查找问题的原因,运用大型有限元AppHypermesh和ABAQUS对蒸发器芯结构建模并进行强度分析,提出改进建议。
      断裂件状祝分析:(1)从蒸发器安装上得知,蒸发器在Y,Z两个方向上固定不动,在X正方向(向后)也不动,在X负方向(向前)主要是靠固定在HVAC壳体上进出水管的管夹来阻止该方向的运动,其次壳体内固定点的摩擦力也能阻止蒸发器在X负方向的运动。由于蒸发器质量较小,惯性载荷的作用对其影响较小,可以排除惯性载荷的影响。管夹主要是防止蒸发器及进出水管X负方向(向前)的运动,如图所示,所以当管子受到向前的载荷作用时该管夹能起到很好的支撑作用。而在管夹固定处,进出水管与HVAC壳体配合大约有1.5mm左右(从模型中量得)的间隙,如图所示,说明该处没有对进出水管在X正方向(向后)起到有效的支撑,如果受到该方向的载荷,管子根部应该是承受载荷比较大的部位。(2)从蒸发器上两根管子的功能看,断裂的都是进水管,进水的压力要比出水的压力大,进水的压力方向是X正方向(向后),刚好是管子缺少支撑的方向。而出水管压力较小,且受到的出水压力方向是X负方向(向前),且该方向有管夹的支撑,工况条件比进水管好。(3)从断裂的进水管上可以看出:在与车身饭金件接触的部位有3mm左右宽的滑动痕迹,由痕迹走向知是水管受到X正方向(向后)的推力使水管与接触饭金件产生摩擦。(4)从进出水管与发动机的连接可以看出:在SQR473上与进水管连接的橡胶管直线连接,中间没有缓冲,发动机运动产生的力直接传递到进水管上;而与出水管连接的橡胶管有一个折弯,且与其他橡胶管有连接,弯曲的软管能对发动机产生的力和水的压力有一定的缓冲,从而得知进水管的工祝比出水管恶劣些。
      采用CADAppCATIA对蒸发器芯结构进行建模,运用Hypermesh进行有限元网格划分,并采用大型非线性计算AppABAQUS进行结构强度计算。在蒸发器芯有限元建模过程中,因为文中旨在考查进出水管根部的断裂破坏情况,只需对进出水管与HVAC壳体固定处进行详细建模,蒸发器芯内部结构可适当简化,用一块厚度为10mm的合金钢板粗略模拟。合金钢板采用程序自动控制实体的网格划分,最大单元尺寸10mm。为了使进出水管及其安装部位更好地贴合实际模型,采用人工建模,单元尺寸3mm。有限元模型如图所示。HVAC壳体材料为A1合金(屈服强度200MPa),料厚为1.5mm。在Hypermesh中将划分好的有限元网格进行材料属性、边界条件、接触定义及分析步的设置,保存为inp格式文件。在蒸发器芯有限元模型的3条边线上(安装进出水管的边除外)各选取一排节点进行耦合,并约束X,Y,Z三个方向的平动自由度,将蒸发器芯看做固定平面。
      为考察发动机振动对进出水管的影响,需要对该模型进行约束模态分析,模态分析采用Lanczos特征值解法,因为SQR473发动机二阶频率在250H,以内,故求解阶数设为4阶。根据进出水管的受力状况,强度分析有两种工况:工况1:进出水管受到推力时,在水管端部施加与X正方向(向后)平行的位移3mm,因推力工况中管夹不起作用可去除,如图所示;工况2:进出水管受到拉力时,管夹起到支撑作用,模型中需定义管夹与管子的接触关系,但管夹强度不考虑,如图所示。
      由模态分析结果知:第1阶次(143Hz)主振型是进出水管X向前后同步振动,进水管振幅大于出水管;第2阶次(166.5Hz)主振型是进出水管X向前后非同步振动,出水管振幅大于进水管;第3阶次(192Hz)主振型是出水管Y向振动;第4阶次(227.5Hz)主振型是出水管Y向振动。250Hz以内的振型主要出现在出水管,振型主要就是以上4种,每种振型的应变能都集中在管子根部。应变能云图强度分析工况1。从图1V可以看出:进出水管在X向没有有效支撑的时候,根部是应力集中的部位,且进水管根部的应力值己经超过材料的屈服极限,强度己经不能满足要求。图11中的灰色区域是管子X向位移大于1.5mm的部分,在管夹位置X向位移没有达到1.5mm,说明进出水管在该工况下还没有与HVAC壳体接触上,管子还处于X向无支撑状态。由表1得知:进水管在工祝1下的刚度大于出水管,但两个管子在X方向的刚度都比较差。

 

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