張寶玉,李 萍,汪東明

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223001;2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223001)

發(fā)電機(jī)散熱片有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

張寶玉1,李 萍2,汪東明2

(1.江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223001;2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇淮安 223001)

散熱片的有限元模型是散熱片進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。對(duì)發(fā)電機(jī)散熱片建立了有限元模型并進(jìn)行應(yīng)力分析。先利用CATIA軟件建立散熱片三維模型,再以IGES格式導(dǎo)入有限元軟件HyperMesh中對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分、邊界條件和載荷施加等前處理。最后運(yùn)用OptiStruct求解器進(jìn)行求解計(jì)算,依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),選擇最優(yōu)方案,并驗(yàn)證其可行性。

散熱片;有限元;強(qiáng)度;改進(jìn)設(shè)計(jì)

0 引 言

發(fā)電機(jī)是機(jī)械工程領(lǐng)域里廣泛應(yīng)用的部件之一,為各種設(shè)備運(yùn)行提供了源源不斷的電力。某公司某型號(hào)發(fā)電機(jī)在安裝過程中,散熱片安裝孔部位頻繁出現(xiàn)裂痕現(xiàn)象,而很多企業(yè)只是單純從結(jié)構(gòu)上加大尺寸進(jìn)行加固,帶來很多安裝時(shí)的干涉問題。筆者結(jié)合有限元法,對(duì)散熱片存在問題進(jìn)行有限元分析,最終實(shí)現(xiàn)散熱片尺寸的優(yōu)化,在保證產(chǎn)品可靠性的同時(shí),縮短了設(shè)計(jì)周期,提高了生產(chǎn)效率。

1 散熱片幾何模型的建立

發(fā)電機(jī)散熱片三維模型是對(duì)其進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)?，F(xiàn)根據(jù)工程圖紙尺寸和材質(zhì)要求確定某型號(hào)發(fā)電機(jī)散熱片結(jié)構(gòu)形式,并在建模軟件CATIA中建立散熱片幾何模型,圖1為散熱片CATIA圖。

圖1 散熱片CATIA圖

CATIA是在機(jī)械、汽車及鑄造模具等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的CAD/CAM/CAE軟件之一[1]。筆者研究的散熱片材料參數(shù)如表1所列。

根據(jù)散熱片結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)在CATIA中建立散熱片幾何模型,如圖1。

表1 散熱片材質(zhì)參數(shù)

從圖1可知,散熱片上主要由螺栓裝配孔、二極管裝配孔、電路板裝配孔及沖壓頂桿等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。此外,在散熱片表面在不妨礙裝配的情況下,盡量多的散熱支片以增加散熱片的散熱能力。

2 整流橋有限元模型建立

在有限元軟件HyperMesh中對(duì)散熱片的幾何模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?根據(jù)實(shí)際工程受力情況建立散熱片的邊界條件和載荷,建立散熱片有限元模型,為接下來的有限元分析及根據(jù)結(jié)果對(duì)散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改進(jìn)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

首先,將CATIA中的散熱片模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行幾何清理,因?yàn)樯崞且粋€(gè)整體沖壓出模的,各部位是連續(xù)的,所以可以去除不必要的幾何特征,如小的倒角和散熱片支片等,再進(jìn)行實(shí)體切割,分成4層小塊,以便進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分前的工作結(jié)束,接下來就開始對(duì)散熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。綜合考慮模型的大小及計(jì)算精確度,確定平均單元大小為0.6 mm,通過網(wǎng)格劃分,如圖2所示,最終劃分整個(gè)散熱片模型113 760個(gè)單元格,138 450個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3是軟件中單元數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。網(wǎng)格質(zhì)量檢查與優(yōu)化貫穿于整個(gè)散熱片模型網(wǎng)格劃分的始終[2],

表2為本模型網(wǎng)格質(zhì)量檢查的控制參數(shù)。

圖2 散熱片最終的網(wǎng)格模型

圖3 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)

表2 網(wǎng)格質(zhì)量控制

3 邊界條件及載荷處理

模擬條件與在實(shí)際裝配過程中所受到的外界條件與載荷情況的接近程度直接影響著分析結(jié)果的準(zhǔn)確度[3]。因此,要想真實(shí)地反映散熱片實(shí)際的應(yīng)力應(yīng)變情況,要根據(jù)實(shí)際工況對(duì)載荷與約束條件進(jìn)行恰當(dāng)處理。

散熱片整體結(jié)構(gòu)雖然基本對(duì)稱,但是根據(jù)實(shí)際工況,在散熱片受壓過程中散熱片兩個(gè)承重面都與下工裝接觸,對(duì)兩個(gè)螺栓安裝孔底部端面進(jìn)行全自由度約束,并對(duì)螺栓孔內(nèi)壁施加徑向向外的接觸壓力和垂直向下的摩擦力。圖4為軟件中的約束示意圖。

圖4 全自由約束

4 散熱片應(yīng)力分析

構(gòu)件變形就是構(gòu)件在外載荷作用下形狀和尺寸發(fā)生的變化[4]。經(jīng)過分析,散熱片變形結(jié)果如圖5。

圖5 散熱片變形圖

通過HyperMesh分析結(jié)果可得到應(yīng)力云圖,其應(yīng)力集中點(diǎn)與工程易破損位置相同,符合工程不良實(shí)際情況,如圖6、7所示。

圖6 散熱器應(yīng)力集中點(diǎn)

圖7 散熱器應(yīng)力集中點(diǎn)

從云圖上可看出,散熱片螺栓壓入過程中,應(yīng)力基本集中在螺栓孔內(nèi)壁上,最大應(yīng)力值為52 MPa,而出現(xiàn)工程易破損點(diǎn)的應(yīng)力值為34 MPa,主要集中在結(jié)構(gòu)尖端和邊緣連接位置,考慮到實(shí)際散熱片壓鑄過程有可能出現(xiàn)的砂眼,工藝控制一致性等問題,以及散熱片螺栓孔與螺栓尺寸公差的兩極性,都會(huì)有可能對(duì)應(yīng)力集中點(diǎn)部位造成影響,甚至斷裂破損。

5 散熱片螺栓壓入孔周邊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

散熱片螺栓壓入過程中,出現(xiàn)的裂痕的幾率雖然比較小,但是其具有很大隱患,以及影響工程不良率。因此提出對(duì)供應(yīng)商和客戶影響最小、最可行和簡(jiǎn)單的優(yōu)化,以降低工程中在散熱片螺栓壓入過程中出現(xiàn)的破損不良率。

5.1 壓入承接面增加倒角

在平面與立面增加倒角,使其有一個(gè)良好力的過度,可以減小邊緣及尖端的應(yīng)力集中,結(jié)構(gòu)變化如圖8所示。有限元二次分析,云圖如圖9所示。

圖8 增加倒角

圖9 應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知,在平面與立面增加倒角,原結(jié)構(gòu)易破損位置的應(yīng)力由33.6 MPa降低為29.7 MPa,應(yīng)力集中點(diǎn)位置未變,此結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)可有效地降低在該位置出現(xiàn)破損幾率。

5.2 變更承接面邊緣位置

工程出現(xiàn)的該破損點(diǎn),應(yīng)是在壓入螺栓過程中的力向外傳送過程中,在兩交接面力的匯合,產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而使該點(diǎn)的應(yīng)力值在相比周邊位置最大。改變螺栓壓入承接面邊緣位置,使其分散邊緣交接應(yīng)力的集中,降低原破損點(diǎn)的應(yīng)力值從而可有效地減少該位置破損幾率,結(jié)構(gòu)及應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知,變更承接面邊緣位置,原結(jié)構(gòu)易破損位置的應(yīng)力由33.6 MPa降低為30.8 MPa,應(yīng)力集中點(diǎn)得以分散,但是相對(duì)周邊應(yīng)力仍最大,此結(jié)構(gòu)優(yōu)化可有效地降低在該位置出現(xiàn)破損幾率。

5.3 增加承接面厚度

破損點(diǎn)的出現(xiàn),很大程度上是因?yàn)閼?yīng)力集中位置的剛性不夠,對(duì)工程環(huán)境或公差尺寸變更的應(yīng)對(duì)力不強(qiáng),所以增加螺栓壓入承接面的厚度,從而提高該位置的強(qiáng)度也是有效防止出現(xiàn)破損的手段之一。結(jié)構(gòu)如圖11所示。由應(yīng)力云圖12可知,增加承接面厚度,原結(jié)構(gòu)易破損位置的應(yīng)力由33.6 MPa降低為29.3 MPa,應(yīng)力集中點(diǎn)位置未變。優(yōu)化方案結(jié)果如表3所列。

圖11 增加厚度

圖12 應(yīng)力云圖

表3 散熱片結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)力對(duì)比 /MPa

6 結(jié) 論

筆者在有限元軟件HyperMesh中建立了散熱片的有限元分析模型,通過準(zhǔn)確的約束和加載處理對(duì)散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析,得到了散熱片整體和局部應(yīng)力、應(yīng)變情況,并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),通過對(duì)3種方案分析結(jié)果即破損點(diǎn)應(yīng)力變化值的對(duì)比,確定了散熱片優(yōu)化方案的可行性,優(yōu)化后應(yīng)力值降低約10%。

[1] 楊先海,褚金奎,尹明富,等.有限元數(shù)值模擬技術(shù)及工程應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2003,21(2):67-70.

[2] 李海峰,吳冀川,劉建波,等.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(3):368-370.

[3] 李成良.風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[4] 郭仁生.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

FEA and Structural Optimization to the Cooling Fins of Generator

ZHANG Bao-Yu,LI Ping,WANG Dong-ming
(1.Jiangsu Food&Pharmaceutical Science College,Huai′an Jiangsu 223001,China; 2.Huai′an Information Technology Vocational School,Huai′an Jiangsu 223001,China)

Finite element model of the cooling fins is the basis of structural analysis.In this paper,the finite element model is established and stress analysis of the generator′s heat sink is conducted.Firstly,the three-dimensional model of cooling fins is built by using the CATIA software;then,it is imported to the finite element software HyperMesh in IGES format to complete the pretreatment such as mesh generation,boundary conditions and load.Finally,solution computation is conducted with the OptiStruct solver,so as to choose the best program and verify its feasibility based on the structural analysis improvement.

cooling fin;finite element;strength;improved design

TH123.1

A

1007-4414(2015)05-0029-01122

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.010

2015-08-06

淮安市P科技創(chuàng)新載體平臺(tái)與產(chǎn)學(xué)研載體建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目:淮安市汽車技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)(編號(hào):HAP201411)

張寶玉(1987-),男,河北秦皇島人,助教,主要從事汽車維修與檢測(cè)技術(shù)專業(yè)相關(guān)教學(xué)工作。