張克鵬 熊勻均 蔡培裕

浙江盾安人工環(huán)境股份有限公司 浙江杭州 310000

1 前言

新能源商用汽車的空調(diào)機組是保證車內(nèi)乘員舒適性以及車輛行駛熱平衡的重要系統(tǒng)，一方面其作為車輛的空調(diào)動力源頭，為汽車乘員艙提供制冷功能；另一方面，新能源汽車的電池也需要空調(diào)冷媒做強制冷卻。因此，新能源車用空調(diào)機組的可靠性就顯得尤為重要?？照{(diào)機組與車輛固定在一起，空調(diào)機組會受到車輛行駛過程中的各種激勵載荷，國標GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》對汽車用空調(diào)器振動試驗的要求作了明確規(guī)定。

隨著計算機硬件水平的提升和計算資源的擴展，仿真技術在制造業(yè)領域得到快速發(fā)展，開發(fā)工程師可以更加快速和準確地建立物理模型，對特定工況的物理現(xiàn)象進行快速仿真分析，得到所需的結果，縮短研發(fā)周期，節(jié)省試驗等成本。本文利用HyperWorks網(wǎng)格處理模塊HyperMesh對某新能源卡車空調(diào)機組進行三維有限元網(wǎng)格精確劃分，之后利用其自帶求解器OptiStruct進行機組模態(tài)和諧響應分析。根據(jù)模態(tài)分析結果判定空調(diào)機組的固有頻率是否與載荷頻率產(chǎn)生共振，導致共振破壞；再根據(jù)國標GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》中的工況要求進行諧響應分析，判斷工況頻率激勵下最大應力是否超過材料強度，設計方案是否滿足要求。

2 車用空調(diào)機組的網(wǎng)格劃分

利用三維設計軟件CATIA建立如圖1所示的幾何模型，其分布質量與實際一致。所建立的模型簡化了實際機組的某些細節(jié)特征，以提高有限元前后處理和求解效率。簡化原則是在保證原有結構力學性能不發(fā)生改變的前提下，對非關鍵區(qū)域的特征及試算中應力水平較低的部件，可以予以忽略。為便于三維模型的網(wǎng)格劃分，三維模型完成后，另存為中間格式.STEP導出，STEP是國際標準化組織（ISO）所屬技術委員會制訂的國際統(tǒng)一CAD數(shù)據(jù)交換標準，大部分三維仿真軟件都支持這種輸入數(shù)據(jù)格式。

圖1 某車用空調(diào)機組

針對空調(diào)機組，將三維設計軟件CATIA中生成的三維幾何模型導入到Hyper Works的網(wǎng)格處理模塊HyperMesh中[1]。在進行網(wǎng)格劃分時，對鈑金結構、管路等薄壁件進行中面抽取，并對抽取的中面做幾何清理，單元類型采用CTRIA3和CQUAD4；對于破壞風險較低且內(nèi)部結構復雜的非考核部件，如壓縮機等用殼單元+附加質量模擬，質量點與周邊結構用REB3單元鏈接。設置網(wǎng)格基本尺寸設為10 mm；螺母位置用washer建模，螺栓用CBEAM替代并用RBE2單元鏈接起來。模型共計有64 099個節(jié)點和67 500個單元，該新能源卡車空調(diào)機組有限元模型如圖2所示，內(nèi)部局部細節(jié)圖如圖3所示。

該新能源卡車空調(diào)機組模型的有限元網(wǎng)格劃分后，需要對該空調(diào)機組模型的屬性進行定義，屬性包括材料、單元類型，如果是殼單元，還需要定義其單元厚度。材料屬性定義如表1所示，其中鈑金框架、安裝腳、內(nèi)部管路等金屬件的材料為碳鋼Q235B，風扇的材料為ABS塑料。

圖2 車用空調(diào)機組有限元模型

圖3 車用空調(diào)機組內(nèi)部局部有限元模型

表1 車用空調(diào)機組材料屬性

3 新能源卡車空調(diào)機組的模態(tài)分析

機組的振動特性與其固有頻率特性相關，當所受載荷頻率接近機組的固有頻率時，即使載荷振幅不是很大，但由其引起的共振現(xiàn)象也會給機組帶來很大響應，并由此導致機組破壞。對新能源卡車空調(diào)機組進行模態(tài)分析，可以得到空調(diào)機組各階固有頻率大小和相應陣型圖。模態(tài)分析是模態(tài)疊加法諧響應分析必需的前期分析過程。模態(tài)分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用，是結構動態(tài)設計及設備故障診斷的重要方法[2]。本次分析采用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

某新能源卡車空調(diào)機組的安裝固定情況如圖4所示。在機組的兩個側面有一個安裝固定支架與空調(diào)機組進行連接，每側安裝支架各有2個螺栓孔與車輛其他部位固定連接，約束螺栓孔處節(jié)點的1～6自由度。

圖4 車用空調(diào)機組的安裝腳約束示意圖

GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動試驗方法中規(guī)定振動試驗頻率為33 Hz。在HyperWorks平臺的OptiStruct環(huán)境下，設定共計算10階模態(tài)，得到如表2所示模態(tài)頻率值，圖5為該新能源卡車空調(diào)機組前4階模態(tài)振型圖。

該新能源卡車空調(diào)機組通過安裝支架與振動試驗臺相連，第8階模態(tài)頻率和GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動測試方法中規(guī)定的試驗頻率33 Hz接近，要避免發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 新能源卡車空調(diào)機組的諧響應分析

諧響應分析是線性結構在周期載荷下的穩(wěn)態(tài)響應，通過諧響應分析，得到結構響應隨著頻率變化的規(guī)律，通過響應隨頻率變化規(guī)律可以分析結構的動力特性，并由此驗證結構設計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應分析計算結構在不同頻率下的響應，可以觀察到峰值響應頻率對應的應力。諧響應分析是線性分析技術，任何非線性特性將被忽略。本次分析采用OptiStruct求解器及模態(tài)疊加法進行求解。

圖5 車用空調(diào)機組前4階振型云圖

4.1 載荷邊界條件

按GB/T 21361-2017《汽車用空調(diào)器》振動測試方法的規(guī)定，新能源卡車空調(diào)機組的振動載荷為振動加速度，33 Hz時的加載方向和載荷大小如表3所示。

表3 新能源卡車空調(diào)機組加載方向和載荷大小

4.2 諧響應分析

通過車用空調(diào)機組的模態(tài)分析，對其施加加速度激勵載荷和載荷步(包括諧響應分析的頻率、載荷子步數(shù))后進行諧響應分析。

圖6～8為新能源卡車空調(diào)機組在激勵頻率33 Hz時3種工況下的應力云圖。

圖7 33 Hz垂向Y工況應力云圖（應力/MPa）

圖8 33 Hz縱向Z工況應力云圖（應力/MPa）

從云圖結果來看， 在X方向載荷工況下，最大應力的位置出現(xiàn)在空調(diào)機組箱體鈑金框架上，應力值為35.33 MPa；Y方向載荷工況下，最大應力的位置出現(xiàn)在空調(diào)機組內(nèi)部件板件上，應力值為64.41 MPa；Z方向載荷工況下，最大應力位置出現(xiàn)在空調(diào)機組底板與壓縮機支架連接附近，應力值為288.9 MPa，最大應力超過材料屈服強度，有破壞風險，需要在該位置進行結構加強設計。

5 結論

文章應用三維設計軟件CATIA建立了某新能源卡車空調(diào)機組的幾何模型，利用HyperWorks商用仿真平臺的Hyper Mesh對此三維幾何模型進行網(wǎng)格劃分；用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器對空調(diào)機組進行模態(tài)分析和諧響應分析。分析表明，機組存在與測試頻率33 Hz接近的模態(tài)頻率，在Z向加速度激勵載荷下，機組最大應力超過材料屈服強度，機組強度不滿足設計要求。后期還需進行優(yōu)化設計，避開共振區(qū)域，加強設計薄弱區(qū)域，滿足振動測試強度要求。