某车型散热器疲劳分析及优化
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722019 No.17一个系统的振动，如果对任意时刻，都可以预测描述它的物理量的确定值，即振动是确定的或者可以预测的，这种振动称为确定性振动，如由发动机做功产生的振动。反之，对于许多振动，无法预料它在未来某个时刻的确定值。比如，汽车行驶时由于路面不平引起的振动等，这种振动称之为随机振动。随机载荷下的各种结构的疲劳寿命评估，一直是工程上所关心的问题。近年来，随着数字化仿真技术的不断发展，各种新的计算方法也不断的在产品开发中得到应用。借用随机振动疲劳分析技术，工程人员可以在产品设计过程中预测产品寿命，根据疲劳寿命分布云图直观的判断出零件的寿命大小及薄弱位置，快速的判断出设计方案的疲劳性能优劣。同时还可以避免反复多次试验，降低资源消耗，缩短开发周期，提高产品市场竞争力。某车型散热器主板在路试试验过程中出现了裂纹漏水问题。本文利用随机振动疲劳分析方法，应用有限单元法和随机振动理论，在计算机工作平台中完成该结构的疲劳寿命预测。并根据试验结果和实际设计情况提出相应的改进方案。并通过了后续试验验证。随机振动及其疲劳分析流程随机振动下的结构疲劳分析方法主要有时域和频域两种方法，时域法中经典的雨流循环计数方法被认为是最准确的方法，但计算量较大，在工程实践应用中受到很大的限制。因此，当前主要使用频域的谱分析法，通过功率谱密度（Power Spectrum Density ， PSD），从频域角度准确的描述载荷的统计规律。功率谱密度函数是描述平稳各态历经过程的最重要参数，利用功率谱密度可以获得结构局部应力信号的均方根值、峰值概率分布和峰值频率等。基于功率谱密度的结构疲劳寿命估算已经在汽车、文/单婷婷 王艳军（上海汽车集团股份有限公司技术中心 上海市汽车动力总成重点实验室）某车型散热器疲劳分析及优化针对某散热器在耐久试验中由于散热器疲劳而导致边板发生漏水的问题，利用采集整车道路试验加速度功率谱密度信号对散热器进行振动疲劳分析，找出开裂漏水原因，并进行设计优化。通过该项目的成功实践，建立了散热器相关零件在路谱激励下疲劳分析的相关方法和数据，为后续系列产品的开发提供了有力的设计理论依据。
航空航天和机器制造等工业领域得到了广泛应用，并有多种基于此的疲劳分析软件。频域下的随机振动疲劳分析一般分两步进行。首先对有限元模型进行频率响应分析计算模型的传递函数，得到在单位载荷激励下，模型在各阶频率上的应力分布情况；然后在根据功率谱密度函数、材料的S-N曲线等，根据Miner提出的线性累积损伤理论计算零件的疲劳寿命大小及分布。图1为零件随机振动疲劳分析的一般流程。 工程应用实例针对对某车型在进行路面试验时出现的散热器主板开裂漏水问题，利用基于随机振动疲劳分析技术对主板寿命进行估算，结果和实车进行对标，并在此基础上提出改进方案。有限元模型为计算方便同时又不影响计算精度，建立CRFM有限元模型时，做如下简化处理：忽略散热器、冷凝器、中冷器中扁管进出水室等几何上尺寸图1 零件随机振动疲劳分析流程研究RESEARCH市场市场MARKETING技术TECHNOLOGY
732019 No.17比较小的倒角等特征，忽略翅片开槽等；简化风扇结构，在风扇质心位置以质量单元模拟附加质量，并通过RBE3单元将质量单元连接到风扇安装孔。简化后的有限元模型包括冷凝器扁管及翅片、散热器cover及翅片、冷凝器、散热器主板、散热器水室等。综合考虑计算时间和计算精度，针对需要重点考察的地方（散热器主板），将网格进行细化处理。对于非主要考察区域，网格可以设置为6~10 mm左右，而对于重点分析的主板，尤其是接触面、圆角、网格尽量控制在1~3 mm左右，具体还应以实际零件尺寸决定，保证计算时间在可接受的范围内。随机振动加速度功率谱采用冷却模块安装点位置处的三向加速度时域信号，并通过傅里叶变换，转换为三向功率谱密度信号作为此分析中的输入激励，激励采集大小如图2所示。从PSD中可以看出这一载荷的能量主要集中在50 Hz以下，而冷却模块前几阶结构模态也主要集中在10~40 Hz间，所以由路面激励载荷会使称身产生动力响应，而这以应力的变化是传统的静态法无法考虑的，可见这里用振动疲劳分析的必要性。模态分析进行模态分析主要是了解车体结构的动态特性，得到它在PSD载荷谱所覆盖的频带内的每一阶的固有频率，为下一步的随机响应分析做准备。本文对散热器结构进行约束模态分析，约束模态是施加约束之后的模态分析，能够反映结构的真实振动情况。表1给出了计算所得到的散热器主要振型及频率。根据测得的加速度功率谱密度图可知，振动载荷的能量主要集中在50 Hz以下，故频率在50 Hz 以内的模态值。分析得出的频率大小及振型与试验测试出的振动情况基本相符，说明模型具有较好的准确性，可以用于随机振动疲劳分析。 疲劳寿命分析及优化根据有限元理论和随机振动理论，在固有频率分析的基础上进行频率响应分析，求取结构中应力的传递函数，然后将这一传递函数乘以输入的载荷功率谱密度，即可获取应力的功率谱密度。基于疲劳理论，利用有限元软件abaqus和疲劳软件fe_safe计算随机振动疲劳寿命：根据载荷和冷却模块结构，利用有限元法对冷却模块进行频率响应分析，得到冷却模块的传递函数；在fa_safe软件中读入传递函数，并且输入加速度的功率谱PSD，并结合其材料疲劳性能S-N曲线，进行寿命进算。从计算结果得出，散热器最小寿命发生在主板倒角位置，其最小寿命为15848 cycles，小于试验目标寿命。对比计算结果与试验结果，认为破坏位置相同，寿命大小比较接近，计算模型可靠。因原设计主板寿命较低，与设计讨论后，采取优化主板弯着角的方式，进行优化。优化后的主板寿命大幅提高，最小寿命为269153 cycles，高于试验目标寿命，满足设计要求，并在后续整车路试中得到了验证。 结论本文通过建立某车型冷凝器支架的有限元模型，得到冷凝器系统的固有频率，分析空调冷却模块在随机激励作用下疲劳寿命，为设计优化提供了理论依据。通过该项目的成功实践，建立了散热器相关零件在路谱激励下疲劳分析的相关方法和数据，为后续系列产品的开发提供了有力的设计理论依据。优化后的主板寿命大幅提高，高于试验目标寿命，满足设计要求，并在后续整车路试中得到了验证。
A阶数频率/Hz振型110.4Y向平动224.2绕Y轴的转动338绕Y轴的转动表1 冷却模块模态表图2 测点加速度功率谱密度
