張輝,夏航,王鵬超,徐慧,龔玉梅,陳天鋒

(1. 臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a. 汽車(chē)學(xué)院; b. 汽車(chē)關(guān)鍵零部件精益智造研究所,浙江 臺(tái)州 318000;2. 浙江工業(yè)大學(xué),浙江 杭州 310014; 3. 浙江銀輪機(jī)械股份有限公司,浙江 臺(tái)州 317200)

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)作為重型卡車(chē)的核心部件,對(duì)卡車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性等至關(guān)重要,一般包含散熱器、風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器、水套等[1]。其中,散熱器處于復(fù)雜和嚴(yán)酷的運(yùn)行工況,受到冷熱交變應(yīng)力、內(nèi)部冷卻液交變壓力、隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力等,在三包期內(nèi)出現(xiàn)失效情況較多。如何準(zhǔn)確判斷散熱器的失效模式,并提出針對(duì)性的改進(jìn)措施,這是當(dāng)前散熱器制造企業(yè)遭遇的難點(diǎn)和痛點(diǎn),也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。目前研究主要停留在有限元的仿真分析,分析對(duì)象更多地集中在乘用車(chē)散熱器[2-5],而重型卡車(chē)散熱器運(yùn)行工況更為復(fù)雜,不僅產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜,所受到的各種載荷沖擊也更大,故需要探究和梳理重卡散熱器的失效機(jī)理,針對(duì)性地優(yōu)化各組成零件結(jié)構(gòu),滿(mǎn)足更高的耐久性和可靠性要求。

1 散熱器典型失效模式分析

鋁塑管帶式散熱器是當(dāng)前卡車(chē)的主流配置,圖1為典型散熱器結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)某散熱器制造企業(yè)的售后質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后得知,重型卡車(chē)管帶式散熱器的主要失效模式為兩類(lèi):一是主板壓封彈開(kāi),引起水室和主板密封泄漏;二是散熱管和主板焊接處泄漏,主要集中在芯體四角和進(jìn)水口下方區(qū)域。

圖1 鋁塑管帶式散熱器典型結(jié)構(gòu)

卡車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,高溫、高壓冷卻液的脈沖循環(huán)流動(dòng),會(huì)對(duì)散熱器造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力的循環(huán)作用,引發(fā)零部件的疲勞失效[6]。

1.1 散熱器壓力交變疲勞失效

水泵驅(qū)動(dòng)冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)水套和散熱器內(nèi)部流動(dòng),形成脈沖壓力載荷,壓力脈沖試驗(yàn)最高壓力達(dá)到250kPa。首先產(chǎn)生變形的是進(jìn)水室,塑料水室變形大,由于自身彈性好,本身出現(xiàn)破裂的風(fēng)險(xiǎn)小,但會(huì)加劇主板變形,尤其是主板壓齒變形;此外,芯體中間區(qū)域的散熱管膨脹會(huì)通過(guò)散熱帶向兩側(cè)傳遞,越靠近兩側(cè)的散熱管疊加變形越大,而散熱管兩端受主板約束,使得散熱管根部承受彎曲應(yīng)力,芯體四角彎曲應(yīng)力最大,且與內(nèi)部壓力和芯體寬度成正相關(guān)。交變壓力載荷對(duì)水室、主板、散熱管等零件造成交變的結(jié)構(gòu)應(yīng)力,該應(yīng)力水平總體較低,屬于高周應(yīng)力疲勞范圍[7]。其典型失效模式如圖2所示。

圖2 散熱器壓力交變典型失效模式

1.2 散熱器冷熱交變疲勞失效

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),彈性體的體積會(huì)發(fā)生膨脹或收縮,當(dāng)物體受到約束或者內(nèi)部變形不一致,不能自由地膨脹或者收縮,結(jié)構(gòu)中就會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)啟停過(guò)程中,散熱器具有較大的溫差變化,對(duì)散熱器芯體各零件造成熱應(yīng)力。分析散熱器芯體結(jié)構(gòu),可近似認(rèn)為水室兩端固定,主板和散熱管在芯寬和芯高方向受剛性約束。溫度變化時(shí),主板和散熱管的熱應(yīng)力分析可轉(zhuǎn)為對(duì)梁的靜不定問(wèn)題分析[8]。熱應(yīng)力計(jì)算可采用熱彈性位移勢(shì)法,將熱效應(yīng)轉(zhuǎn)化為等效體力和等效面力。主板和散熱管的熱膨脹量ΔL可用式(1)表示。

ΔL=α(T2-T1)L0

(1)

式中:α為材料線膨脹系數(shù);T1、T2分別為材料變化前、后溫度;L0為初始長(zhǎng)度。

循環(huán)變化的熱應(yīng)力產(chǎn)生循環(huán)變化的熱應(yīng)變。熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的關(guān)系可用式(2)表示。

(2)

式中:σ為熱應(yīng)力;E為彈性模量;S為零件橫截面積;F為壓力。

主板和散熱管的熱膨脹量也就是熱應(yīng)力產(chǎn)生的變形量,由式(1)、式(2)可得:

σ=α(T2-T1)E

(3)

由式(3)可知,在材料確定時(shí),溫度變化量是熱應(yīng)力的關(guān)鍵影響因素。

對(duì)于溫度響應(yīng)來(lái)說(shuō),由于材料和料厚差異,芯體四周的主板和側(cè)板變化慢,中間的散熱管和散熱帶變化快,熱變形不一致,散熱管根部形成熱應(yīng)力集中。圖3為在冷熱交變過(guò)程中,主板和散熱管處于不斷地收縮和膨脹,形成受壓和受拉交替作用,處在芯體四角的散熱管根部變形量最大,最容易出現(xiàn)熱疲勞失效,屬于低周熱疲勞范圍[9]。大量售后失效件的泄漏區(qū)域就是芯體四角,如圖4所示,失效件解剖之后可以看到熱應(yīng)力造成的疲勞裂紋發(fā)生在主板與散熱管釬焊焊縫邊緣處,與理論分析的熱應(yīng)力集中點(diǎn)一致。

圖3 主板和散熱管熱變形示意圖

圖4 散熱器冷熱交變典型失效模式

2 散熱器抗疲勞失效優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高疲勞壽命,需要針對(duì)性地解決散熱器失效區(qū)域在高溫、高壓工況下的應(yīng)力集中問(wèn)題,減小形變,降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力和熱應(yīng)力。

1)水室優(yōu)化設(shè)計(jì)

增強(qiáng)塑料水室的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛性,主要是為了減少主板的變形量和應(yīng)力值。水室優(yōu)化方案如圖5所示:①增加水室壁面料厚,仿真分析表明料厚由3mm增加到3.5mm,主板最大應(yīng)力值能減少10%左右,這是改善效果最明顯的措施,但會(huì)增加成本;②在保證冷卻液流場(chǎng)良好的前提下,水室內(nèi)腔高度盡可能小,遵循橫截面能圓不方的原則,減少水室受力面積;③水室局部加強(qiáng),尤其是進(jìn)出水管口區(qū)域布置加強(qiáng)筋,同時(shí)得考慮塑料水室脫模的可行性;④水室與主板密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改進(jìn)水室腳結(jié)構(gòu),底部由平面改為內(nèi)凹面,改善橡膠密封圈的貼合性,合理選擇密封圈壓縮量,保證密封圈填充率達(dá)到90%。

圖5 水室優(yōu)化結(jié)構(gòu)

2)主板優(yōu)化設(shè)計(jì)

主板失效以塑性變形為主,壓齒彈開(kāi),造成主板和水室密封泄漏,增強(qiáng)壓齒剛性是主板優(yōu)化提升的主要目標(biāo)。在每個(gè)壓齒中間設(shè)置外凸加強(qiáng)筋,延伸到主板底部,如圖6所示。主板壓齒間距由24mm縮小為16mm,齒數(shù)增加對(duì)應(yīng)的水室豎筋數(shù)量也增加,水室強(qiáng)度提升,減少對(duì)主板的二次影響。

圖6 主板優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3)散熱管優(yōu)化設(shè)計(jì)

重卡散熱器主流配置采用寬度40mm的扁長(zhǎng)型散熱管。將散熱管單沙漏形式優(yōu)化為雙沙漏形式,同時(shí)改進(jìn)打凸結(jié)構(gòu)和排布形式,如圖7所示。管壁料厚由0.35mm降到0.32mm,既能提升散熱管強(qiáng)度和芯體整體剛性,又能實(shí)現(xiàn)輕量化,旦散熱管質(zhì)量下降8.6%。但是雙沙漏散熱管對(duì)生產(chǎn)工藝提出了挑戰(zhàn),中間雙連接點(diǎn)焊接容易出現(xiàn)虛焊,后期需要調(diào)整釬焊工藝參數(shù),提升釬焊合格率。

圖7 散熱管優(yōu)化結(jié)構(gòu)

4)加強(qiáng)卡設(shè)計(jì)

散熱器芯體四角是熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力最為集中的地方,加強(qiáng)該區(qū)域散熱管與主板的連接強(qiáng)度,將會(huì)顯著提升散熱器疲勞壽命。加強(qiáng)卡設(shè)計(jì)如圖8所示,布置在芯體四角,單側(cè)使用2個(gè)加強(qiáng)卡,增強(qiáng)兩側(cè)各4根散熱管,4個(gè)凸邊插入散熱管內(nèi),在釬焊之后與散熱管形成一體,對(duì)散熱管兩端圓角內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)化。

圖8 加強(qiáng)卡結(jié)構(gòu)

5)側(cè)板V型膨脹節(jié)設(shè)計(jì)

散熱器芯體受溫度交變載荷時(shí),側(cè)板剛性太強(qiáng)而不能及時(shí)釋放散熱管熱應(yīng)力,會(huì)對(duì)散熱器產(chǎn)生致命影響。但是側(cè)板設(shè)計(jì)需要考慮對(duì)芯體整體強(qiáng)度和剛性影響,在釬焊過(guò)程中側(cè)板還要承受焊模對(duì)芯體的夾緊力。因此,設(shè)計(jì)了帶V型膨脹節(jié)的側(cè)板(圖9),替代現(xiàn)有焊后側(cè)板鋸斷的熱應(yīng)力釋放措施,側(cè)板鋸斷區(qū)域?qū)?yīng)的散熱管和散熱帶容易變形,疊加振動(dòng)激勵(lì),該區(qū)域散熱管泄漏風(fēng)險(xiǎn)較高。新型側(cè)板設(shè)計(jì)在保證側(cè)板整體強(qiáng)度和剛性的同時(shí),通過(guò)V型膨脹節(jié)釋放縱向約束,減小芯體兩側(cè)散熱管根部的熱應(yīng)力,有效提升芯體四角的熱疲勞壽命。

圖9 側(cè)板優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3 散熱器有限元仿真分析

3.1 散熱器有限元模型建立

以某散熱器制造企業(yè)失效最為嚴(yán)重的一款重卡散熱器產(chǎn)品作為研究對(duì)象,其主要失效模式是主板壓齒彈開(kāi)和芯體四角散熱管泄漏。該散熱器匹配441kW(600馬力)發(fā)動(dòng)力,熱載荷大,對(duì)可靠性和耐久性的設(shè)計(jì)要求更高,將上述散熱器抗疲勞失效措施應(yīng)用在改善方案中。利用Solidworks軟件建立有限元模型,散熱器芯體高度970mm,寬度971.3mm(共96根散熱管),厚度 40mm。

網(wǎng)格劃分需要準(zhǔn)確反映散熱器的幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,但也要考慮計(jì)算機(jī)的工作負(fù)荷和仿真時(shí)長(zhǎng),盡可能地減少單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量[10]。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水室和主板采用四面體網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的散熱管、散熱帶和側(cè)板采用六面體網(wǎng)格。

散熱器各構(gòu)件材料不同,水室結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜,將其單獨(dú)作為一個(gè)部件進(jìn)行分析,而散熱器芯體采用邊界條件的方式進(jìn)行加載。主板、散熱管、散熱帶和側(cè)板通過(guò)釬焊焊接,采用重合節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。水室和主板的連接是通過(guò)主板壓齒向內(nèi)折彎包裹水室腳實(shí)現(xiàn)的,故采用綁定接觸方式。

水室材料采用尼龍PA66,芯體各組成構(gòu)件材料采用復(fù)合鋁材3003,零件材料屬性如表1所示。

表1 散熱器零件材料及屬性

3.2 散熱器耐壓仿真分析

基于Ansys Workbench仿真軟件進(jìn)行壓力交變疲勞分析,獲取散熱器在實(shí)際工況載荷下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,根據(jù)材料特性曲線對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命分析。壓力載荷250kPa施加在散熱器內(nèi)部過(guò)水面,溫度120 ℃。圖10顯示在250kPa靜壓力作用下,散熱器最大變形量為0.61mm,出現(xiàn)在水室水口處,水室均有向外側(cè)翻折趨勢(shì),有效反映出水室的受力狀態(tài),翻折現(xiàn)象也很好地解釋了實(shí)際使用時(shí)主板脫齒現(xiàn)象。圖11顯示芯體最大變形量為0.46mm,處于進(jìn)出水管口下方區(qū)域,該區(qū)域水室結(jié)構(gòu)為了改善流場(chǎng)分布,進(jìn)行流線型擴(kuò)口,受壓面積大,影響主板形變量。圖12顯示主板最大應(yīng)力值為46.2kPa,出現(xiàn)在水室預(yù)留管口下方。

圖10 散熱器整體位移云圖

圖11 散熱器芯體位移云圖

通過(guò)理論分析可知,散熱管最大應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)在主板的釬焊焊縫處,仿真分析著重關(guān)注散熱管和主板連接處10mm區(qū)域,圖13顯示散熱管和主板連接處的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在水室管口下方區(qū)域,為67.36MPa。圖14表明散熱管中間區(qū)域的應(yīng)力值很小,只有8.83MPa。

圖13 散熱管和主板連接處應(yīng)力云圖

圖14 散熱管中間區(qū)域應(yīng)力云圖

以上仿真結(jié)果表明主板和散熱管在250kPa靜壓力作用下的應(yīng)力值小于3系鋁合金材料的屈服強(qiáng)度,在壓力交變載荷作用下,對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力水平較低,屬于高周應(yīng)力疲勞范圍,可用S-N曲線來(lái)評(píng)判結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。S-N曲線受結(jié)構(gòu)、溫度等多種因素影響,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),近似選擇3003鋁材的S-N曲線,如圖15所示。主板、散熱管的應(yīng)力值對(duì)應(yīng)疲勞壽命滿(mǎn)足壓力脈沖試驗(yàn)要求的15萬(wàn)次,說(shuō)明優(yōu)化后的散熱器壓力交變疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖15 3003鋁材S-N曲線圖

3.3 散熱器熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

散熱器受溫度交變載荷而產(chǎn)生的熱疲勞屬于低周熱疲勞,通過(guò)Ansys Workbench軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)合應(yīng)變疲勞壽命曲線進(jìn)行熱疲勞壽命分析。芯體四角區(qū)域散熱管和主板連接處的熱應(yīng)變最大,是仿真分析重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。溫度循環(huán)過(guò)程為瞬態(tài)傳熱過(guò)程,以60s為一個(gè)循環(huán)周期,溫度載荷輸入如圖16所示。先進(jìn)行瞬態(tài)熱分析得到一個(gè)循環(huán)過(guò)程中散熱器溫度分布情況,再將溫度載荷加載到結(jié)構(gòu)分析中,得到瞬態(tài)的熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)變,如圖17、圖18所示,其中散熱管1#—4#和93#—96#是通過(guò)加強(qiáng)卡增強(qiáng)的,其余管子無(wú)加強(qiáng)卡;圖18表明芯體最兩側(cè)散熱管1#和96#根部的應(yīng)變幅值大幅下降,應(yīng)變最大點(diǎn)轉(zhuǎn)移到未加加強(qiáng)卡的5#和92#散熱管,進(jìn)口端散熱管最大幅值為1 516με,出口端最大幅值為1 332με,說(shuō)明加強(qiáng)卡和帶V型膨脹節(jié)側(cè)板對(duì)熱應(yīng)變改善效果明顯。

圖16 溫度載荷

圖17 進(jìn)口端5#和92#散熱管根部應(yīng)變值

圖18 出口端1#、5#、92#、96#散熱管根部應(yīng)變值

對(duì)比圖19所示的3003鋁材ε-N曲線,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的應(yīng)變水平能滿(mǎn)足冷熱循環(huán)試驗(yàn)2萬(wàn)次要求。

圖19 3003鋁材ε-N曲線圖

4 散熱器可靠性試驗(yàn)

壓力脈沖試驗(yàn)和冷熱循環(huán)試驗(yàn)作為模擬和檢測(cè)散熱器耐久性和可靠性的測(cè)試,是對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝、材料性能等的綜合驗(yàn)證。

4.1 散熱器壓力脈沖試驗(yàn)

根據(jù)表2的試驗(yàn)條件,完成15萬(wàn)次壓力脈沖試驗(yàn)后,對(duì)樣件進(jìn)行氣密性檢測(cè),無(wú)泄漏;試驗(yàn)繼續(xù)至185 457次時(shí),樣件在進(jìn)水口下方區(qū)域散熱管根部才發(fā)生泄漏,這已滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。實(shí)際失效區(qū)域和壓力仿真最大應(yīng)力區(qū)域一致。

表2 散熱器壓力脈沖試驗(yàn)條件

4.2 散熱器冷熱循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)表3的試驗(yàn)條件,完成2萬(wàn)次冷熱循環(huán)試驗(yàn)后,對(duì)樣件進(jìn)行氣密性檢測(cè),無(wú)泄漏;試驗(yàn)繼續(xù)至24 351次,樣件發(fā)生失效,滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。失效點(diǎn)在進(jìn)口端未加加強(qiáng)卡的第5根散熱管根部,實(shí)際失效區(qū)域和熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真最大應(yīng)變區(qū)域一致。

表3 散熱器冷熱循環(huán)試驗(yàn)條件

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重型卡車(chē)鋁塑管帶式散熱器的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行分析研究,表明壓力交變載荷形成的高周應(yīng)力疲勞和溫度交變載荷形成的低周熱疲勞是造成散熱器失效的主要原因。針對(duì)現(xiàn)有散熱器的設(shè)計(jì)缺陷,提出相應(yīng)解決方案。

1)水室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化,主板壓齒增加加強(qiáng)筋,散熱管改為雙沙漏結(jié)構(gòu),有效降低芯體結(jié)構(gòu)應(yīng)力,滿(mǎn)足疲勞壽命要求。

2)加強(qiáng)卡設(shè)計(jì),側(cè)板V型膨脹節(jié)結(jié)構(gòu),能顯著改善芯體四角熱變形,減少失效風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的熱應(yīng)力。

散熱器壓力脈沖試驗(yàn)和冷熱循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果都滿(mǎn)足主機(jī)廠設(shè)計(jì)要求,驗(yàn)證了上述散熱器優(yōu)化措施的合理性和有效性。該產(chǎn)品現(xiàn)已投入量產(chǎn)。