摘 要：汽車風(fēng)冷平行流冷凝器的耐疲勞特性是一項(xiàng)重要指標(biāo)，耐壓力交變試驗(yàn)作為模擬冷凝器在實(shí)際整車生命周期工況的評估測試，是對冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、裝配工藝以及釬焊工藝的綜合評價(jià)。本文根據(jù)疲勞失效機(jī)理，指出兩片式冷凝器集液管的壓力交變疲勞失效的主要影響因素來自局部應(yīng)力集中，并結(jié)合有限元模擬，提出了幾種優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：汽車?yán)淠?壓力交變 疲勞失效

1 緒論

自1954年車載空調(diào)系統(tǒng)首次在凱迪拉克品牌的乘用車上量產(chǎn)以來，汽車?yán)淠髯鳛榭照{(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，經(jīng)歷了從管片式、管帶式到平行流式的發(fā)展[1]。平行流式的汽車?yán)淠饕呀?jīng)成為目前風(fēng)冷式冷凝器的主流設(shè)計(jì)。而近年來伴隨著汽車電動(dòng)化浪潮，汽車?yán)淠饕步?jīng)歷著從原本較為單一的風(fēng)冷平行流冷凝器衍生出了為適配熱泵系統(tǒng)的風(fēng)冷平行流室外換熱器，便于集成在熱管理模塊中的水冷式冷凝器也得到了更多的應(yīng)用。而不論是風(fēng)冷平行流結(jié)構(gòu)或是水冷式結(jié)構(gòu)的汽車?yán)淠鳎捎谄浜附狱c(diǎn)多，釬焊長度長，耐疲勞特性是汽車?yán)淠骺煽啃缘闹匾笜?biāo)。

張輝[4]等在《重型卡車散熱器失效分析及優(yōu)化研究》中提到了壓力交變試驗(yàn)對于散熱器可靠性的重要意義，對于工作壓力遠(yuǎn)高于散熱器的冷凝器，耐壓力交變疲勞試驗(yàn)更是作為模擬冷凝器在實(shí)際整車生命周期工況的重要評估測試，是對冷凝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用、裝配工藝以及釬焊工藝的綜合評價(jià)。

2 風(fēng)冷平行流式冷凝器壓力交變疲勞破壞的機(jī)理

2.1 區(qū)分疲勞破壞與靜載破壞

在疲勞與斷裂的研究中，我們首先需理解什么是疲勞，引用美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)的“疲勞試驗(yàn)及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析之有關(guān)術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)定義”[2]（ASTM E206-72）所述：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程，稱為疲勞。根據(jù)這個(gè)定義，可以發(fā)現(xiàn)疲勞的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是要承受多次的擾動(dòng)應(yīng)力亦可理解為循環(huán)應(yīng)力，二是疲勞破壞起源于高應(yīng)力或高應(yīng)變的局部。

我們應(yīng)區(qū)分疲勞破壞與靜載破壞。疲勞破壞與靜載破壞有著不同的特點(diǎn)，靜載破壞是材料或構(gòu)件在承受高于其本身極限強(qiáng)度Su的載荷作用下，整體強(qiáng)度不足而瞬間發(fā)生的破壞，如爆破實(shí)驗(yàn)即是對靜載破壞承受能力的評估手段。靜載破壞取決于結(jié)構(gòu)整體，而疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始，是構(gòu)件在承受低于極限強(qiáng)度Su的較低應(yīng)力的反復(fù)作用下，局部的損傷累積而產(chǎn)生，因而應(yīng)力集中對疲勞壽命影響很大，而對極限承載能力影響較小，構(gòu)件的應(yīng)力集中處，常常是疲勞破壞的起始點(diǎn)。

高強(qiáng)度脆性材料的極限強(qiáng)度Su取為極限抗拉強(qiáng)度，而延性材料的極限強(qiáng)度Su則取為屈服強(qiáng)度。目前平行流式冷凝器主要由多孔扁管，翅片，集液管，隔片，儲(chǔ)液干燥器以及進(jìn)出口法蘭和安裝支架組成，90%以上的零件由鋁合金制成，如多孔扁管、翅片和集液管多為3系的改性鋁合金，而儲(chǔ)液干燥器和進(jìn)出口法蘭多為6系鋁合金。3系改性或6系鋁合金均為延性材料，因此材料的屈服強(qiáng)度對于冷凝器的疲勞壽命相當(dāng)重要，但一般并不會(huì)直接使用原材料的屈服強(qiáng)度作為評判依據(jù)，因?yàn)樵诶淠鞯闹圃爝^程，原材料經(jīng)過了沖壓冷變形、裝配和釬焊，已經(jīng)形成了新的結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的屈服強(qiáng)度并不完全等同于原材料的屈服強(qiáng)度，盡管如此，材料本身的屈服強(qiáng)度依舊是一個(gè)重要的評估依據(jù)。

綜合來說，在冷凝器這種應(yīng)用情境下，材料的屈服強(qiáng)度和局部應(yīng)力集中是研究壓力交變疲勞失效的關(guān)鍵因子。

2.2 應(yīng)力疲勞與應(yīng)變疲勞

按作用于構(gòu)件的循環(huán)應(yīng)力的大小，疲勞分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞。如果最大循環(huán)應(yīng)力Smax小于屈服應(yīng)力Sy，屬于應(yīng)力疲勞范疇，其循環(huán)應(yīng)力較低，壽命循環(huán)次數(shù)較高，即疲勞壽命Nf，一般至少高于一萬次，因此也稱為高周疲勞。汽車換熱器驗(yàn)證試驗(yàn)中常見的壓力交變試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)中發(fā)生的失效，基本屬于此類。[1，5]

3 風(fēng)冷平行流式冷凝器壓力交變疲勞破壞的分析與優(yōu)化

3.1 風(fēng)冷平行流式冷凝器的結(jié)構(gòu)

如前文提及，平行流式冷凝器已毫無疑問成為行業(yè)主流設(shè)計(jì)，其前身是管帶式冷凝器，管帶式冷凝器由一根蛇形的多孔扁管與多根波浪形（V型或U型）的散熱帶組成。相比更傳統(tǒng)的管片式冷凝器，管帶式冷凝器的傳熱效率已可以提升15%～20%，而平行流式冷凝器注重分段形式的流程設(shè)計(jì)，使用兩根集液管將多根多孔扁管同時(shí)相連，制冷劑同時(shí)平行通過多根微通道多孔扁管，形成一系列流道，因此在管帶式冷凝器的基礎(chǔ)上再提升30%的傳熱效率。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，集液管是對于壓力交變疲勞相對較敏感的構(gòu)件。圖1所示的兩片式結(jié)構(gòu)是較為常見的風(fēng)冷平行流冷凝器集液管結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)便于裝配，生產(chǎn)效率高。但其AB兩片結(jié)合處的壁厚變化，成為一個(gè)潛在的在循環(huán)應(yīng)力作用下的局部應(yīng)力集中點(diǎn)，是在壓力交變試驗(yàn)中潛在的失效點(diǎn)。也是后文案例中的主要研究對象。

3.2 冷凝器耐壓力交變試驗(yàn)機(jī)理

壓力交變測試是一種通過用介質(zhì)以高低壓不斷循環(huán)對產(chǎn)品或組件進(jìn)行交替沖擊來加速驗(yàn)證過程并在短時(shí)間內(nèi)模擬多年使用條件的測試[3]。在壓力交變測試中，產(chǎn)品或組件承受一系列循環(huán)壓力載荷。它模擬了醫(yī)療設(shè)備、航空航天組件、工業(yè)控制系統(tǒng)和汽車/運(yùn)輸部件等產(chǎn)品的真實(shí)條件，并可用于評估產(chǎn)品隨時(shí)間推移的耐久性能。對于汽車行業(yè)，國內(nèi)外大多數(shù)車企都會(huì)要求使用壓力交變測試來驗(yàn)證熱交換器類產(chǎn)品的耐久，工作介質(zhì)為冷卻液的散熱器類部件一般直接使用冷卻液作為試驗(yàn)的介質(zhì)，而以冷凝器為代表的工作介質(zhì)為制冷劑的壓縮機(jī)回路部件，則使用油作為介質(zhì)來模擬熱交換器內(nèi)部承受的壓力。施加的循環(huán)載荷一般是梯形波或正弦波，不同車企對高壓值，壓力幅值、壓力爬升速率也會(huì)有不同的要求，總體上高壓值區(qū)別不大，基本會(huì)在29Bar（A）至35Bar（A）之間，但循環(huán)次數(shù)的要求則差別比較明顯，從100，000次至300，000次不等。

熱交換器壓力交變試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一般是產(chǎn)品在通過指定的循環(huán)次數(shù)后，仍然符合產(chǎn)品密封性要求。個(gè)別車企會(huì)提出使用統(tǒng)計(jì)分析方法來評判疲勞壽命性能的更嚴(yán)苛的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。比較有代表性的是美系車企，比如要求樣件做到指定的壓力交變循環(huán)次數(shù)后繼續(xù)運(yùn)行直到產(chǎn)品密封性失效，并將失效循環(huán)數(shù)結(jié)果進(jìn)行Weinbull（威布爾）分布計(jì)算，根據(jù)結(jié)果判斷是否滿足置信度要求。也可能是以一個(gè)置信度要求作為前提條件，計(jì)算出對應(yīng)需要的樣件數(shù)以及循環(huán)數(shù)。

3.3 冷凝器耐壓力交變失效設(shè)計(jì)改進(jìn)

如3.1節(jié)中所述，典型兩片式（TWO-HALF）冷凝器集液管結(jié)構(gòu)中，AB片結(jié)合處是一個(gè)相對應(yīng)力集中點(diǎn)，在壓力交變試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)苛的情況下，此處可能會(huì)成為兩片式冷凝器集液管的壓力交變試驗(yàn)失效點(diǎn)，即圖3所示。

從圖4所示金相圖可以看到，此集液管在AB兩片結(jié)合處即釬焊接頭的根部開裂，開裂區(qū)域沒有其他異常顆粒也沒有頸縮，符合疲勞開裂的特征。

減少AB片結(jié)合處的應(yīng)力集中，是防止兩片式冷凝器集液管在嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)的壓力交變試驗(yàn)下的主要改進(jìn)方向，同時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)性。這里需要分幾種情況來討論。

（1）首先是兩片式集液管AB片結(jié)合面不對稱的情況引起失效。如圖5所示。

我們通過FEA來模擬AB片結(jié)合面截面長度不對稱的差異達(dá)到1mm時(shí)，集液管內(nèi)部承受橫幅載荷的情況，并與對稱的情況進(jìn)行對比。如圖6的FEA結(jié)果顯示，當(dāng)集液管AB片在裝配過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)而成為不對稱結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)合面變小一側(cè)的應(yīng)力集中相比對稱的情況會(huì)增加10%，從而增加了在壓力交變試驗(yàn)中失效的風(fēng)險(xiǎn)。

這種情況可以通過在裝配工裝上增加限位來避免兩片式集液管 AB 片結(jié)合面不對稱，

（2）設(shè)計(jì)上將A片的導(dǎo)入角減少。減少A片的導(dǎo)入角可以增加AB片結(jié)合處面的截面長度，由此增加了釬焊長度。通過FEA分析，將導(dǎo)入角邊長減少0.5mm后，應(yīng)力集中情況得到改善，結(jié)合處邊緣最大應(yīng)力減小了23%。但這可能會(huì)增加裝配難度，需綜合評估。（圖7）

（3）如果仍需進(jìn)一步減少應(yīng)力集中，則需考慮增加材料厚度或者提高材料強(qiáng)度。平行流式冷凝器普遍通過氣氛保護(hù)隧道爐進(jìn)行釬焊，且由于AB片沖壓變形量大，集液管的材料基本選擇3系鋁合金。因此增加厚度是更為現(xiàn)實(shí)的手段。通過FEA分析，以1mm的AB片厚度為例，若將材料厚度增加到1.2mm，如圖8所示，應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力可減少約18%。

4 結(jié)語

本文從疲勞破壞的機(jī)理切入，分析了造成風(fēng)冷平行流式冷凝器壓力交變失效的主要影響因素是局部應(yīng)力集中。并結(jié)合了有限元模擬分析，分別指出了從工藝和設(shè)計(jì)上的優(yōu)化方法。

兩片式集液管AB片結(jié)合面不對稱的情況會(huì)增加局部應(yīng)力集中，繼而增加壓力交變失效的風(fēng)險(xiǎn)?？梢酝ㄟ^在裝配工裝增加限位來避免不對稱。減少A片的導(dǎo)入角可以減少局部應(yīng)力集中，但對裝配的影響需要綜合評估。若仍需進(jìn)一步減少應(yīng)力集中，則考慮增加材料厚度或者提高材料強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)：

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