關(guān)鍵詞：冷卻模塊；熱疲勞；S-N 疲勞曲線；Miner 法則；韋布分布；疲勞等效

0 前言

汽車前端冷卻模塊由散熱器、冷卻風(fēng)扇、空調(diào)冷凝器和管道組成，用于控制發(fā)動機溫度，在發(fā)動機正常運行中起著重要作用。該模塊長時間在高溫環(huán)境和復(fù)雜工況下運行，容易引起熱應(yīng)變，導(dǎo)致模塊結(jié)構(gòu)變形、密封失效和材料疲勞，影響其性能和使用壽命。

外界因素如振動、沖擊和化學(xué)腐蝕也會影響冷卻模塊的壽命。應(yīng)力累積和損耗導(dǎo)致冷卻模塊功能降低、破裂和失效，帶來故障和安全風(fēng)險。

研究冷卻模塊熱應(yīng)變和壽命對設(shè)計改進、材料選擇和維護計劃制定至關(guān)重要。研究冷卻模塊在不同條件下的熱應(yīng)變特性有助于提高其可靠性和耐久性；研究冷卻模塊壽命可幫助制定準(zhǔn)確的維護計劃和預(yù)測模型，減少經(jīng)濟損失和安全隱患［1］。

有關(guān)疲勞壽命的研究需要經(jīng)歷觀察、試驗、定量描述等階段。試驗揭示了不同應(yīng)力幅下的疲勞壽命曲線，提出了數(shù)學(xué)模型如Miner 法則、Coffin-Manson 關(guān)系和Paris 定律，用于預(yù)測疲勞壽命。同時，模型中納入了溫度梯度、熱應(yīng)變和循環(huán)頻率等因素［2］。

本文以某型號乘用車前端冷卻模塊為研究對象，結(jié)合失效位置和有限元分析（FEA）確認(rèn)薄弱點。應(yīng)變片粘貼于薄弱點，測量與原定測點的相對距離，計算應(yīng)力集中系數(shù)。通過試車場和實驗室測試獲取應(yīng)變數(shù)據(jù)，利用損傷等效原則確定等效工況和循環(huán)次數(shù)。對比試車場和實驗室測試結(jié)果確認(rèn)壽命等效效果。

1 測點確定

對某型號汽車的前端冷卻模塊進行計算機輔助工程（CAE）分析，其三維模型如圖1 所示。

本文采用Ansys 軟件對冷卻模塊三維模型進行網(wǎng)格劃分。一般情況下冷卻模塊承受熱應(yīng)力最大且最頻繁的部件是水箱部分，因此水箱就成為了FEA 的主要對象，其模型如圖2 所示。根據(jù)經(jīng)驗，水箱熱疲勞失效的位置主要位于冷卻管根部與主板連接處，因此對冷卻管根部的網(wǎng)格做了加密處理。冷卻管的網(wǎng)格類型采用正六面體單元，水室的網(wǎng)格類型采用四面體單元，冷卻管根部網(wǎng)格局部加密如圖3 所示。

本試驗條件下（溫度10～100 ℃ ，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min）的溫度云圖如圖4 所示，應(yīng)變云圖如圖5 所示。

根據(jù)上述的CAE 分析結(jié)果，并結(jié)合工程實際，最終將應(yīng)變片的測點位置定在水箱進口側(cè)的第9 根、第10 根冷卻管處，測點與冷卻管根部的距離定義為6 mm。

2 試驗過程

2. 1 應(yīng)變片布置

一般來說，當(dāng)可以或者易于直接測量時，應(yīng)變片的位置優(yōu)先考慮布置在產(chǎn)品的最大應(yīng)變處。因為最大應(yīng)力位置是產(chǎn)品的薄弱點或是失效起點，當(dāng)其出現(xiàn)失效時，產(chǎn)品的失效時間（壽命）也就明確了。由于冷卻管根部位置難以粘貼應(yīng)變片，最終決定將應(yīng)變片貼在距離冷卻管根部一定距離的位置，并利用應(yīng)力集中系數(shù)計算到冷卻管根部的應(yīng)變。應(yīng)變片貼片盡量選在冷卻管應(yīng)變變化相對平滑的位置以減小誤差。應(yīng)變片實際的貼片位置分別位于水箱進水側(cè)第1 根、第9 根、第10 根冷卻管，以及出水側(cè)第1 根冷卻管處，如圖6 所示。應(yīng)變片實拍如圖7 所示。

2. 2 試車場測試

將貼有應(yīng)變片的1 個水箱樣件布置在整車上，根據(jù)整車工況定義及配比，進行不同工況下溫度、應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集。試車場測試的部分工況下不同測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖8～圖11 所示。

2. 3 實驗室測試

基于試車場測試的溫度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并結(jié)合該水箱產(chǎn)品失效機理，確定造成該水箱失效的主要原因為熱疲勞失效。因此，應(yīng)變測試的實驗室測試在冷熱循環(huán)耐久試驗臺架上進行。

將在試車場進行過應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的水箱樣件安裝在實驗室內(nèi)水箱冷熱循環(huán)試驗臺架上進行應(yīng)變測試。在實驗室內(nèi)定義不同的測試工況，如溫度范圍、試驗流量等，分別測試其應(yīng)變數(shù)據(jù)，測得相應(yīng)工況的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖12～圖15 所示。

3 疲勞損傷計算

3. 1 疲勞損傷理論

疲勞損傷理論可歸結(jié)為兩大類：線性損傷理論和非線性損傷理論。其中，最具代表性的線性損失理論就是Miner 法則、修正Miner 法則，以及相對Miner 法則；非線性損傷累積理論主要有Manson 雙線性累積理論、Corten-Dolan 理論等。雖然Miner法則不能考慮疲勞載荷的先后順序，但是由于產(chǎn)品的疲勞壽命具有一定的分散性，而線性損傷計算方法可以基本反應(yīng)出結(jié)構(gòu)壽命的中位水平，處理數(shù)據(jù)也較為方便，因此該方法是目前工程中的一種常用方法。

3. 2 循環(huán)次數(shù)計算結(jié)果

基于該水箱在試車場不同工況下采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過疲勞損傷理論計算出對應(yīng)的疲勞損傷，并通過試車場驗證目標(biāo)，得到該水箱產(chǎn)品試車場對應(yīng)的總損傷。計算后發(fā)現(xiàn)進水側(cè)第9 根及第10 根冷卻管損傷較大，分別為0.552 4 和0.526 7，此處出現(xiàn)失效的概率相對較大。因此，數(shù)據(jù)分析聚焦在這2 個測點。

使用在試車場進行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的樣件，在實驗室內(nèi)不同工況下進行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，并對不同工況下應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，選取工況為：溫度-5～104 ℃，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min。實驗室內(nèi)進水側(cè)第9 根冷卻管單個循環(huán)的疲勞損傷為0.000 067 8，進水側(cè)第10 根冷卻管單個循環(huán)的疲勞損傷為0.000 065 5。為了保證實驗室內(nèi)臺架試驗?zāi)軌虻刃?fù)現(xiàn)試驗對象在試車場的損傷，需要保持兩者總損傷等效，因此計算得出進水側(cè)第9 根、第10 根冷卻管的循環(huán)次數(shù)分別為8 148 次、8 042 次。最終得出試驗臺架上冷熱循環(huán)試驗對應(yīng)的條件為：溫度-5～104 ℃ ，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min，循環(huán)次數(shù)8 148 次?？紤]到樣件的離散性，必須結(jié)合失效分布對循環(huán)次數(shù)進行修正。

3. 3 失效分布

韋布分布是一種常見的概率分布函數(shù)，常用于描述可靠性分析和生存分析中的事件發(fā)生時間或產(chǎn)品壽命［4］。

3. 4 疲勞等效結(jié)果

已知試驗對象在試車場測試計算的總疲勞損傷，以及進水側(cè)第9 根、第10 根冷卻管測試計算的單個循環(huán)的疲勞損傷，根據(jù)疲勞損傷等效的原則可得在對應(yīng)工況下（溫度-5～104 ℃ ，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min）需要進行約8 200 次循環(huán)可以使得實驗室內(nèi)損傷與測試對象在試車場的損傷等效。

考慮到樣件的失效時間本身就具有一定的離散性，且一般換熱器樣件的失效遵循韋布分布，又有經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明形狀參數(shù)為1.3、尺度參數(shù)為3，計算可得在使用樣本數(shù)量為3 個時去估計總樣，且置信度90% 下需要進行驗證的循環(huán)次數(shù)。

因此，根據(jù)式（6）計算結(jié)果，冷熱循環(huán)考核指標(biāo)可定義為：溫度-5～104 ℃ ，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min，循環(huán)次數(shù)10 653 次，樣本數(shù)量3 個。

本試驗對象需要在試車場進行總里程50 000 km的耐久試驗，實際在28 950 km 左右就出現(xiàn)了失效現(xiàn)象，占總里程的57.9%。實驗室內(nèi)將50 000 km 的損傷轉(zhuǎn)化為溫度-5～104 ℃ ，質(zhì)量流量40 kg/min，熱介質(zhì)1 min，冷介質(zhì)1 min，循環(huán)次數(shù)10 653 次，實際在3 個樣本平均5 998 次冷熱循環(huán)試驗中出現(xiàn)了失效，占總循環(huán)次數(shù)的56.3%。對比兩者失效時間（循環(huán)次數(shù)）/總時間（循環(huán)次數(shù)），可以看出實驗室內(nèi)的計算結(jié)果與實際情況較為吻合。這說明該方法能夠較好地反映實車在試車場的損傷情況。

4 結(jié)語

本文用Ansys 軟件對某一特定產(chǎn)品進行溫度場與應(yīng)變分布的分析，結(jié)合實際情況對測試對象的失效位置進行了預(yù)測，并且采用應(yīng)變測試的方法對測點位置進行了試車場內(nèi)的耐久工況測試以及試驗臺架的應(yīng)變測試，然后利用雨流統(tǒng)計法對應(yīng)變數(shù)據(jù)進行處理計算獲得應(yīng)力幅與對應(yīng)循環(huán)次數(shù)，再利用S-N 曲線及Miner 法分別獲取了2 次測試過程中試驗工況造成的損傷。最終利用損傷等效的方式確定了實驗室冷熱循環(huán)條件下等效到試車場總損傷的循環(huán)次數(shù)。

本試驗通過試驗驗證的方式確認(rèn)了實驗室工況條件下和試車場實際工況下熱疲勞的等效效果良好。

未來需要進一步通過試驗研究溫變速率、外界風(fēng)速改變、環(huán)境溫度對于熱疲勞造成的影響。