楊 軍，劉奇飛

（1.廣州中新汽車零部件有限公司，廣州 511365；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510630）

0 引言

近年來，在全球氣候變暖的大背景下，國家對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了大力扶持，各種補(bǔ)貼政策的出臺(tái)引來眾多廠商紛紛進(jìn)軍新能源行業(yè)，新能源汽車年產(chǎn)量與年銷量持續(xù)提升[1]。因此，電動(dòng)汽車的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用方面的研究成為了汽車行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

電動(dòng)汽車雖然沒有了發(fā)動(dòng)機(jī)，但電動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池在使用過程中會(huì)產(chǎn)生熱量，同樣需要冷卻。副水箱是水冷式冷卻系統(tǒng)的重要零件之一，其主要作用是給冷卻系統(tǒng)加冷卻液，當(dāng)冷卻液受熱膨脹后可以給系統(tǒng)提供一定的緩沖容積，所以副水箱在使用過程中的耐用性關(guān)系到電動(dòng)汽車是否能良好散熱[3]。性能良好的副水箱應(yīng)能在不同的使用溫度及壓力作用下，不產(chǎn)生表面裂縫或較大的變形。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對(duì)汽車副水箱整體的CAE分析只有陳承等[4]完成過，且分析的是一款重型商用車上的水箱，這也從側(cè)面反映出乘用車水箱出問題的概率不大，沒有引起足夠的關(guān)注。本文首先對(duì)某型號(hào)電動(dòng)汽車副水箱在所選取的3種不同溫度和壓力下的受力進(jìn)行CAE 仿真分析，并分別用相應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了一定的驗(yàn)證。仿真加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式有利于提高計(jì)算機(jī)仿真在實(shí)際運(yùn)用中的水平，良好的CAE 模型也可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能及可靠性[5]，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的隱患，可以有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化[6]，本次分析結(jié)果能對(duì)水箱后續(xù)的性能改善提供正確的指導(dǎo)，這也是有限元分析的目標(biāo)之一。

1 物理模型

如圖1 所示，該型電動(dòng)汽車副水箱由上、下兩部分組成，上、下兩部分通過熱板熔接連接在一起。冷卻液加注口設(shè)于水箱上部，進(jìn)液口、出液口則設(shè)在水箱下部，進(jìn)液口、出液口可以和內(nèi)部管路進(jìn)行循環(huán)。另總共設(shè)有3個(gè)固定吊耳用于固定水箱，孔內(nèi)的金屬襯套可以改善水箱的受力情況。水箱內(nèi)部設(shè)有縱橫交錯(cuò)的隔板，隔板可以對(duì)水箱進(jìn)行一定程度的加強(qiáng)。

圖1 副水箱物理模型Fig.1 Physical model of the auxiliary water tank

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

由于該設(shè)備尺寸較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用Abaqus自帶的前處理軟件很難對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因此采用了專業(yè)前處理軟件Hypermesh對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且均采用四面體網(wǎng)格[7]，而用Abaqus的Standard通用分析模塊進(jìn)行求解計(jì)算[8]。

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分占據(jù)整個(gè)分析過程的大部分時(shí)間，對(duì)分析結(jié)果的好壞影響重大[9]。為得到良好的分析結(jié)果，需要選擇合適的單元類型[10]。為提高有限元分析的效率和網(wǎng)格質(zhì)量，在真實(shí)反映水箱主要力學(xué)特性的前提下，對(duì)水箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些簡化[11]：（1）取消了加注口、進(jìn)液口及出液口；（2）取消了水箱外表面上的凹條，水箱表面圓滑過渡；（3）吊耳安裝孔附近表面進(jìn)行了平整處理，實(shí)際上會(huì)有局部凸起。整個(gè)模型的四面體單元數(shù)為305 787 個(gè)，節(jié)點(diǎn)共153 256個(gè)。

2.2 材料屬性

由于PP材料在不同溫度下，其楊氏模量會(huì)發(fā)生變化，一般變化規(guī)律是隨溫度的升高而降低[12]。通過材料試驗(yàn)得到其在不同溫度下的楊氏模量，試驗(yàn)所得曲線如圖2所示。

圖2 材料試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress－strain curve of material test

在本次分析中，水箱安裝孔內(nèi)鋼珠的變形不是研究的重點(diǎn)，且其楊氏模量在－40～120 ℃溫度范圍內(nèi)的變化不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生很大影響，所以取常溫下的定值進(jìn)行計(jì)算。最后所確定的材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Tab.1 Material properties

3 工況分析

針對(duì)水箱日常工作的實(shí)際情況，選取了其在不同溫度和壓力下的3種工況，分析水箱是否有破裂或裂紋以及應(yīng)力、應(yīng)變分布。具體為：（1）在23 ℃常溫條件下，向內(nèi)施加壓力150 kPa；（2）在－40 ℃低溫條件下，向內(nèi)施加壓力200 kPa；（3）在120 ℃高溫條件下，向內(nèi)施加壓力200 kPa。

4 有限元分析結(jié)果

（1）常溫條件下，向水箱內(nèi)施加壓力150 kPa，水箱應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖3所示。在23℃常溫條件下，向水箱內(nèi)施加壓力150 kPa。水箱所受的最大應(yīng)力為47.07 MPa，所受的最大應(yīng)變?yōu)?.025 47，水箱不會(huì)產(chǎn)生裂紋但內(nèi)部有小部分隔板產(chǎn)生塑性變形。

圖3 常溫條件下應(yīng)力、應(yīng)變分布Fig.3 Stress and strain distribution at normal temperature

（2）低溫－40 ℃條件下，向水箱內(nèi)施加壓力200 kPa，應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖4所示。在－40 ℃低溫條件下，向內(nèi)施加壓力200 kPa。水箱所受的最大應(yīng)力為62.81 MPa，水箱所受的最大應(yīng)變?yōu)?.071 23，未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象且水箱不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

圖4 低溫條件下應(yīng)力、應(yīng)變分布Fig.4 Stress and strain distribution at low temperature

（3）在120 ℃高溫條件下，向內(nèi)施加壓力200 kPa，應(yīng)力、應(yīng)變分布如圖5所示。在120 ℃高溫條件下，向內(nèi)施加壓力200 kPa。水箱所受的最大應(yīng)力為51.57 MPa，水箱所受的最大應(yīng)變?yōu)?.260 2。在此條件下，水箱不會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，但內(nèi)部較多區(qū)域產(chǎn)生塑性變形。

圖5 高溫條件下應(yīng)力、應(yīng)變分布Fig.5 Stress and strain distribution at high temperature

以上3 種條件下的有限元分析結(jié)果都滿足預(yù)期目標(biāo)，即水箱不會(huì)產(chǎn)生破裂或裂紋。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性，對(duì)有限元分析的3 種情況都進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于應(yīng)力不好測量，實(shí)驗(yàn)中選取了8 個(gè)測點(diǎn)，測量水箱的應(yīng)變，每個(gè)測點(diǎn)都有X、Y 兩個(gè)方向，各測點(diǎn)分布如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中設(shè)備連接線路如圖7所示。

圖6 各測點(diǎn)分布Fig.6 Location of measurement points

圖7 設(shè)備連接線路Fig.7 Equipment connection circuit diagram

為滿足溫度條件，連接完成后將水箱放置在恒溫溫箱中，如圖8所示，為了在實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測水箱表面溫度，在水箱表面粘貼了2個(gè)由熱電偶線組成的溫度傳感器。

圖8 溫箱中的水箱Fig.8 The water tank in the thermostat

5.1 常溫23 ℃實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)開始前在Labview 程序上對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行“清零”，數(shù)據(jù)采集的頻率設(shè)置為每分鐘250個(gè)采集點(diǎn)。

在常溫23 ℃環(huán)境中，向水箱內(nèi)迅速施加壓力直至達(dá)到150 kPa，水箱表面8個(gè)測點(diǎn)所測得的應(yīng)變大小如圖9所示。實(shí)驗(yàn)持續(xù)30 min，總共采集了7 500個(gè)點(diǎn)。由曲線可以看出，水箱表面應(yīng)變隨著壓力的迅速升高而迅速增大，測得的最大應(yīng)變?yōu)?.001 812，各測點(diǎn)在達(dá)到最大應(yīng)變后基本維持不變。

圖9 23 ℃時(shí)的應(yīng)變曲線Fig.9 Strain curves at 23 ℃

5.2 低溫－40 ℃實(shí)驗(yàn)

－40℃實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了40 min，在常溫下同時(shí)增大壓力與下降溫度，但壓力3 min 內(nèi)就達(dá)到目標(biāo)值200 kPa。各測點(diǎn)的應(yīng)變隨著壓力升高迅速增大后又隨著溫度的逐漸降低而減小，測得的最大應(yīng)變?yōu)?.002 458。在結(jié)束實(shí)驗(yàn)時(shí)，溫箱的環(huán)境溫度已經(jīng)達(dá)到－40 ℃，但是水箱表面只達(dá)到－14 ℃。如圖10所示。

圖10 －40 ℃時(shí)的應(yīng)變曲線Fig.10 Strain curves at－40 ℃

5.3 高溫120 ℃實(shí)驗(yàn)

120 ℃實(shí)驗(yàn)同樣進(jìn)行了40 min，在常溫下同時(shí)增大壓力與升高溫度，壓力值可以迅速達(dá)到目標(biāo)值200 kPa，溫度上升較緩慢。各測點(diǎn)的應(yīng)變開始隨著壓力的迅速增大而迅速增加，之后增加的速度下降，甚至有的測點(diǎn)方向還會(huì)有所下降，所測得的最大應(yīng)變?yōu)?.005 013。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，環(huán)境溫度已經(jīng)達(dá)到120 ℃，但水箱表面只達(dá)到85 ℃。如圖11所示。

圖11 120 ℃時(shí)的應(yīng)變曲線Fig.11 Strain curves at 120 ℃

6 結(jié)果對(duì)比

無論在有限元分析還是實(shí)驗(yàn)中，水箱都沒有出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，說明該型電動(dòng)汽車副水箱滿足企業(yè)相關(guān)可靠性要求。由于應(yīng)變片粘貼位置受限，無法將應(yīng)變片粘貼到有限元分析中的應(yīng)變較大處位置，也就不能對(duì)最大應(yīng)變位置進(jìn)行相應(yīng)對(duì)比。在有限元分析中，應(yīng)力大都集中于水箱內(nèi)部肋板處，而水箱表面的應(yīng)力較小，這就和實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)相對(duì)符合。因此，將實(shí)驗(yàn)中選擇的8個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)與仿真中同一位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

可以看到，在23 ℃的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比中，雖然數(shù)值大小有一定差異，但各點(diǎn)位的大小趨勢(shì)基本相符，該項(xiàng)對(duì)比的最大差值為182微應(yīng)變。如表2所示。

表2 常溫23 ℃仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of simulation and experimental results at 23 ℃

在－40 ℃實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)條件限制，不能等待水箱表面達(dá)到目標(biāo)溫度，但同樣各點(diǎn)位大小趨勢(shì)相符，該項(xiàng)對(duì)比的最大差值為160微應(yīng)變。如表3所示。

表3 －40 ℃仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of simulation and experimental results at－40 ℃

同樣受限于實(shí)驗(yàn)條件，120 ℃實(shí)驗(yàn)也沒有讓水箱表面達(dá)到目標(biāo)溫度，該項(xiàng)對(duì)比最大差值為571微應(yīng)變。隨著溫度繼續(xù)升高，材料的楊氏模量變小，水箱的變形繼續(xù)增大，仿真結(jié)果與這一趨勢(shì)相符合。如表4所示。

表4 120 ℃仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of simulation and experimental results at－120 ℃

7 結(jié)束語

通過對(duì)比得知，本文所建立的有限元仿真模型不僅能較好地呈現(xiàn)所選擇測點(diǎn)應(yīng)變的大小相對(duì)關(guān)系，且在不同溫度下的變化趨勢(shì)也與實(shí)驗(yàn)相符合，具體的數(shù)值大小雖然有差異，但也有較高的參考度，說明在本次建立電動(dòng)汽車副水箱有限元模型的過程中，三維模型簡化、網(wǎng)格劃分以及分析方法都基本正確，能較好地反映實(shí)物的特性，是CAE 技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用的一次成功實(shí)踐。另一方面，結(jié)果也對(duì)實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備和方法進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累有利于提高后續(xù)實(shí)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。CAE 技術(shù)的應(yīng)用可以節(jié)省零部件設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本，通過對(duì)仿真經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，也可以提高CAE模型的準(zhǔn)確度，從而最終提高零部件開發(fā)優(yōu)化的能力[13]，為企業(yè)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)提供明確的導(dǎo)向作用。