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1、结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日HyperWorks在汽车副水箱优化中的应用蒋光福(东风汽车有限公司东风商用车技术中心)摘要:采用CAE仿真技术,分析副水箱在力载荷和热载荷作用下的应力分布,以确认副水箱破坏的主要载荷类型是力载荷或热载荷或力载荷和热载荷同时作用的结果;分析副水箱不同安装方式以及与不同的散热器上水室材料匹配时的应力及变形。关键词:汽车，冷却系统，CAE，副水箱1概述汽车水箱又称散热器，是汽车冷却系统中主要机件。其功用
2、是散发热量，冷却水在水套中吸收热量，流到散热器后将热量散去，再回到水套内而循环不断。水箱是水冷式引擎的热交换器，以空气对流冷却之方式，维持引擎正常工作温度。在发动机工作时冷却水的温度最高可以高达100摄氏度，工作环境比较恶劣。汽车水箱主要是由散热器芯子、水管、散热空气叶片、上水箱及下水箱等组合而成，上水箱在散热器上，由水管将上水箱与散热器下面之水箱相连通，热水由上而下流到下水箱时变为温水，散热空气叶片则构成孔道，由风扇的抽吸及车子前进行驶时的相对风速，使大量的冷空气经空气孔道，将流经水管中冷却水的热量
3、吸收，再发散于大气中。冷却系统的功用是将引擎中多余而无用的热量，从引擎中散发出去，使引擎在各种速率或行驶状况下均能保持在正常温度下运作。2有限元模型的建立由于副水箱是铸件,因此,全采用四面体单元网格模型化结构,其有限元模型如图1和图2所示。整个结构的有限元模型单元数约90万。CAE仿真计算和前后处理均采用软件AltairHyperWorksV7.0[1]。副水箱结构材料为PP聚乙稀，其弹性模量E为1350MPa，波松比为0.3，热膨胀系数为0.000108（1／度）;散热器上水室结构材料有PA塑料和铝
4、两种，其中PA塑料的弹性模量E为7500MPa，波松比为0.3，热膨胀系数为0.0001（1／度）;铝的弹性模量E为71000MPa，波松比为0.33，热膨胀系数为0.000023（1／度）-1-结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日图1副水箱有限元模型图图2副水箱和散热器上水室总成有限元模型图3计算工况分别分析了副水箱在力载荷和热载荷作用下的应力和变形情况。只有热载荷作用时,整个副水箱和散热器上水室的温度设为100度。本文考虑了两种副
5、水箱结构设计方案,两种副水箱安装方式及两种散热器上水室材料,组合成八种分析工况。只有力载荷作用时,力载荷主要是由副水箱的自重和副水箱中水的重量，二者合计为4.65kg。各工况定义如表1所示。所有计算工况均约束副水箱的双孔安装支架和散热器上水室的下表面。-2-结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日表1计算工况定义工况号载荷副水箱结构设计副水箱安装方式散热器上水室材料1热载荷原设计三个安装支架PA塑料2热载荷原设计三个安装支架铝3热载荷原设
6、计两个安装支架PA塑料4热载荷原设计两个安装支架铝5热载荷优化设计三个安装支架PA塑料6热载荷优化设计三个安装支架铝7热载荷优化设计两个安装支架PA塑料8热载荷优化设计两个安装支架铝9力载荷原设计三个安装支架铝10力载荷优化设计三个安装支架铝4分析与讨论副水箱在十个工况下的CAE分析结果如表2所示,其应力分布如图3至图6所示,最大应力均在副水箱的安装支架上。比较表2中的工况2和工况9可知,热载荷作用下的应力远大于力载荷作用下的应力,力载荷作用下的影响可以忽略,因此副水箱破坏的主要载荷类型应该是热载荷作
7、用的结果。分别比较表2中的工况1至4与工况5至8和工况9与10可知,副水箱结构的优化设计方案与原设计方案相比较,热载荷作用下其最大Mises应力下降10%左右;断裂部位的最大Mises应力下降10%以上;最大位移也约有下降;力载荷作用下其最大Mises应力下降27%;断裂部位的最大Mises应力降19.66%;最大位移也下降13.71%;因此,副水箱优化设计方案的强度和刚度均优于原设计方案。分别比较表2中结构设计方案和散热器上水室材料相同而副水箱安装方式不同的工况(如工况1与3,工况2与4,工况5与7
8、和工况6与8)可知,副水箱两个安装支架与三个安装支架相比较,其最大Mises应力都有下降;断裂部位的最大Mises应力下降10%以上;而最大位移大约上升5%左右;因此,两个安装支架的副水箱的强度均优于三个安装支架的副水箱,两个安装支架的副水箱的刚度均弱于三个安装支架的副水箱。进行同样的分析可知,散热器上水室材料为铝时,副水箱的刚度和强度均优于散热器上水室材料为PA塑料时。最大Mises应力所在位置相同的工况的应力分布规律相同,只是数值不同而已,因此,对每
