楊澤平，何　鋒，余國(guó)寬，李惠林

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

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汽車膨脹箱有限元分析研究*

楊澤平，何鋒，余國(guó)寬，李惠林

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：為提高某車型汽車膨脹箱可靠性，利用有限元分析方法，對(duì)膨脹箱進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)和隨機(jī)振動(dòng)分析，求解膨脹箱在靜載荷和動(dòng)載荷下的受力情況。根據(jù)受力情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞:汽車膨脹箱有限元分析靜態(tài)結(jié)構(gòu)隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

汽車膨脹箱(以下簡(jiǎn)稱膨脹箱)是盛放汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的容器，膨脹箱通過支架和支座固定在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，工作條件惡劣，并且在汽車行駛過程中受到來(lái)自路面顛簸的振動(dòng)激勵(lì)，同時(shí)膨脹箱內(nèi)液體晃動(dòng)沖擊內(nèi)壁。膨脹箱由于長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣的工作環(huán)境中，容易導(dǎo)致支架斷裂，箱體開裂等問題。為了得到某車型膨脹箱在靜載荷和動(dòng)載荷下的受力情況，利用ANSYS軟件對(duì)膨脹箱進(jìn)行有限元分析。

車輛工作條件多樣，各零部件承載工況復(fù)雜，各種載荷作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的性能要求也不相同[1]。貴州大學(xué)馮春亮[2]曾利用有限元方法，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的腔體零件擋風(fēng)玻璃洗滌液噴水壺進(jìn)行了模態(tài)分析與頻響分析，得到噴水壺的固有振動(dòng)特性和穩(wěn)態(tài)振動(dòng)激勵(lì)下的響應(yīng)。然而，膨脹箱工作時(shí)主要是受到來(lái)自路面的隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，由于隨機(jī)振動(dòng)時(shí)振動(dòng)的幅值和相位是不規(guī)則的[3]，所以本文利用有限元分析方法，對(duì)膨脹箱靜態(tài)結(jié)構(gòu)和隨機(jī)振動(dòng)進(jìn)行研究。

利用ANSYS軟件，首先分析靜態(tài)結(jié)構(gòu)的受力情況。然后進(jìn)行模態(tài)分析，求解膨脹箱固有振動(dòng)特性，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，得出在給定功率譜位移下，膨脹箱的受力情況。最后分析計(jì)算結(jié)果，為膨脹箱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1有限元模型建立

1.1建立模型

膨脹箱由箱體、支座和冷卻液進(jìn)、出管構(gòu)成。該車型膨脹箱由上、下箱體組成，上箱體上有冷卻液進(jìn)管和排氣管，下箱體上有左、右支架、下支撐座、冷卻液出管和防堵座塞。膨脹箱總高為161.5 mm，箱體外徑為158.6 mm，內(nèi)徑為150.6 mm，箱體容積為1.79 L。為保證膨脹箱的連續(xù)性[4]，在對(duì)膨脹箱進(jìn)行建模前，需要對(duì)不影響結(jié)構(gòu)特性的孔、槽等特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1.2劃分網(wǎng)格

分析采用四面體方法劃分模型網(wǎng)格，嚴(yán)格控制關(guān)聯(lián)度、跨度中心角與網(wǎng)格尺寸等參數(shù)。膨脹箱網(wǎng)格模型如圖1所示，其中節(jié)點(diǎn)總數(shù)為801 645個(gè)，單元數(shù)為480 577個(gè)。

1.3添加約束、載荷與材料屬性

對(duì)膨脹箱三個(gè)安裝位置施加Fixed Support方式的約束，限制其6個(gè)方向的自由度。

膨脹箱受力由膨脹箱自身重力和冷卻液對(duì)膨脹箱內(nèi)壁的壓力和沖擊力組成。首先對(duì)膨脹箱施加標(biāo)準(zhǔn)地球重力加速度慣性載荷；然后采取靜水壓力法，對(duì)膨脹箱內(nèi)壁施加力載荷，假設(shè)冷卻液為水，選取膨脹箱內(nèi)頂面作為液體自由面。膨脹箱有限元模型如圖2所示。

膨脹箱體材料是PP5，材料特性如表1所示。

表1

材料特性

2有限元分析

2.1靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析

圖3　膨脹箱等效應(yīng)力云圖

計(jì)算膨脹箱所受等效應(yīng)力，膨脹箱等效壓力云圖如圖3所示。最大應(yīng)力存在于左、右支架與箱體交界加強(qiáng)筋的倒角處，最大等效應(yīng)力為1.099 8 MPa。表明汽車靜止，膨脹箱裝滿冷卻液時(shí)，膨脹箱的支架和支座與箱體交界處所受應(yīng)力最大。

2.2模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性的方法[5]。對(duì)膨脹箱進(jìn)行模態(tài)分析，求解膨脹箱1到6階模態(tài)，得到各階模態(tài)主振型固有頻率如表2所示。膨脹箱在1階模態(tài)時(shí)，其固有頻率為241.89 Hz，并且隨著模態(tài)階數(shù)增大，其固有頻率逐漸增大。汽車行駛時(shí)，主要受到因路面不平引起的汽車振動(dòng)，頻率范圍約為0.5 Hz～25 Hz[6]。膨脹箱固有頻率遠(yuǎn)大于汽車行駛時(shí)的振動(dòng)頻率，不會(huì)發(fā)生共振。

表2

各階模態(tài)主振型固有頻率

2.3隨機(jī)振動(dòng)分析

提取模態(tài)分析的結(jié)果作為隨機(jī)振動(dòng)分析的輸入變量，分析車輛以60 km/h的速度在B級(jí)路面上行駛時(shí)的隨機(jī)響應(yīng)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7031-2005[7]得到空間頻率位移功率譜密度值，取空間頻率位移功率譜密度幾何平均值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，路面譜經(jīng)過懸架過濾到懸置點(diǎn)后按原譜值的30%來(lái)計(jì)算[8]。通過換算，將空間頻率位移功率譜密度值轉(zhuǎn)換為時(shí)間頻率位移功率譜密度，隨機(jī)載荷如表3所示。

表3

隨機(jī)載荷

膨脹箱隨機(jī)振動(dòng)等效應(yīng)力云圖如圖4所示。最大應(yīng)力存在于冷卻液出管與箱體交界的肋板處，應(yīng)力值為3.110 7 MPa。膨脹箱隨機(jī)振動(dòng)變形云圖如圖5所示，最大變形出現(xiàn)在冷卻液出管末端，由于冷卻液出管屬于懸置部位，變形隨著位置與約束之間的距離增大而增大。冷卻液出管末端變形使膨脹箱內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，在冷卻液出管與箱體交界的肋板處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3結(jié)論

通過對(duì)膨脹箱進(jìn)行有限元分析，得到了膨脹箱在靜載荷和動(dòng)載荷下的受力情況。根據(jù)受力情況，建議在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加左、右支架與箱體交界處的肋板尺寸和倒角半徑。將下支撐座位置向出水口末端移動(dòng)，減小懸置部位的懸置尺寸，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

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Finite element analysis of an automotive expansion tank

YANG Zeping, HE Feng, YU Guokuan，Li Huilin

Abstract:In order to improve the reliability of an automotive expansion tank, we analyzed the static structure and random vibration of the expansion tank using finite element method, found out the stress distribution of the expansion tank under static load and dynamic load, and provided reference for the optimization of the design of the expansion tank.

Keywords:automotive expansion tank; finite element analysis; static structure; random vibration; stress; optimization

收稿日期：2015-9-09

作者簡(jiǎn)介：楊澤平(1989-)，男，山東德州人，碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，從事汽車零部件設(shè)計(jì)研究。

基金項(xiàng)目：貴州省科技攻關(guān)項(xiàng)目，黔科合GZ字[2013] 3003。

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0013-03