汽车散热器的模态分析*

姚 璐，盛步云，王传佩

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

汽车散热器的模态分析*

姚 璐，盛步云，王传佩

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

采用Pro/E对散热器进行几何建模，将模型导入Hypermesh进行几何清理、网格划分等，建立有限元模型;将模型导入Nastran中进行模态分析，得到散热器在水压0.28 MPa下前三阶模态振型。将前三阶共振频率与试验值相比较，验证了仿真结果的准确性。针对分析对薄弱部分提出改进措施，对散热器进一步改进提供了重要参考。

汽车散热器;有限元建模;模态分析;改进措施

1 引言

散热器是汽车发动机冷却系统中最重要的部件之一，它对内燃机的动力性、经济性、可靠性有重大影响。当汽车行驶在起伏不平的崎岖路面时，散热器要承受来自路面的各种激振，各个零部件总会振动，这些振动［1］会产生一定的噪音，同时会对整个散热器结构产生一定的疲劳强度，更重要的是当产生的激振频率与散热器结构的某一固有频率相接近时，会引发结构产生共振现象，产生共振以后，散热器结构会引发很大的动应力，造成结构的轻度破坏和大应力变形，影响散热器工作，所以在散热器结构设计中，要对散热器结构进行必要的模态分析。本课题来源于某企业新设计的直流式散热器(结构如图1)。

图1 直流式散热器

2 散热器有限元模型的建立

2.1 几何模型的建立

根据公司提供的散热器二维图(包括各个零件图和装配图)，分析每个零件特点及散热器结构［2］特点，知散热器共有73个过水管道，每两个过水管道之间焊接140个散热片，两个主片分别装配在散热管两端，主片周边的凹槽装配密封垫，四个加强筋分别装配在四个角的两个过水管道上，两个挡板分别与两边散热片装配，且挡板两端咬齿与上下水室咬齿配合。最后在Pro/E装配各零部件得到的效果如图2所示。

图2 散热器装配图

2.2 散热器几何清理与网格划分

将在Pro/E里建好的装配体导入Hypermesh前处理软件中，我们需要对散热器几何模型的倒角、圆角进行几何清理。几何清理［3］的主要目的是在不影响分析计算的结果前提下，尽量简化模型，使其不仅与实物吻合，而且保证划分网格时更加方便，节省时间。

(1)上、下水室(代号分别为:041、051)的网格划分。由于上下水室的几何模型比较复杂，切割六面体比较困难，本处采用四面体单元划分上下水室有限元模型。划分的结构如图3、4所示。

图3 上水室网格划分图

图4 下水室网格划分图

(2)主片(代号:031)的网格划分。主片是散热器压力循环中发生破坏的组件，是强度分析重点关心的部件，本处采用抽取中性面建立主片的有限元模型，采用面单元网格。划分结果如图5所示。

(3)过水管道(代号:034)的网格划分。由于过水管道为薄壁结构，故过水管道采用抽取中面的方法。过水管道直接与散热片焊接，而散热片两片翼之间的距离为2.7 mm，且过水管道的两侧没有分布散热片，故本处散热片被分成三段。划分结果如图6所示。

图5 主片网格划分

图6 过水管道的网格划分图

(4)散热片(代号:031)的网格划分。由于散热片结构尺寸较小，厚度为0.08 mm，单周期翘片侧向宽度为2.7 mm，过水管道的散热翘片结构复杂(如图7)，且散热片对结构强度影响不大，故本处对散热片的散热翘片做简化处理，采用面单元模拟散热片，过水管道与散热片的焊缝采用节点重合的办法解决，大大减小了求解规模，其网格划分如图8所示。

(5)挡板(代号:036)的网格划分。挡板的加强筋比较复杂，本处对凸出的加强筋部分、圆孔部分做了简化处理。由于挡板为扁平细长形状，本处对挡板采用抽取中面的方法，并采用面单元划分挡板。划分的结果如图10所示。

图7 散热片几何模型

图8 散热片的网格划分图

图9 挡板的几何模型

图10 挡板的网格划分图

(6)加强件(代号:037)的网格划分。由于该零件的圆角和倒角会影响网格的质量，故此处压缩圆角和倒角。加强件采用六面体网格划分。划分结果如图12所示。

图11 加强件几何模型

图12 加强件网格划分图

计算采用的网格总数为747 780个，节点总数为691 428个，表1列出了计算中各部件网格的单元及节点量。

表1 散热器有限元网格组成

(7)网格质量评估。网格质量统计依据以下4个单元质量评价指标:Jacobian Ratio:(雅可比)矩阵行列式最小值比最大值，最佳值为1，通常其值大于0.7是可以接受的;Aspect ratio:(纵横比)单元最大边长与最小边长之比，最佳值为1;Min angle:单元相邻面最小夹角，最佳值为90°;Max warp:最大翘曲角度，最佳值为0°;对计算所采用的网格进行单元质量检查，从统计结果可以看出网格质量是相当好的，求解器可以接受。如表2所列。

表2 网格质量统计

2.3 部件连接处理

根据散热器加工工艺性，031与041、037与过水管道、036与031、031与051以及031与041接触部分都要进行焊接，由于主要进行的是整体结构件模态分析，所以没有必要分析焊缝，这里应用rigids工具将要焊接的两零件接触部分节点相连接表示刚性连接(相接触部分的节点六个自由度完全一样)，使刚性连接的零件成为一个整体。

2.4 材料及单元类型的确定

(1)材料属性的确定。结构材料参数以企业给出的材料参数为准。对于定义材料的弹性模量、密度(其软件里面单位是N/mm2)，泊松比，对于面单元还要设定厚度。特别说明，041及051是一种尼龙+ 30%玻璃纤维(新型材料)，属于非线性材料，但根据公司要求就把其当做线性材料进行处理。

为模拟衬套的作用，本处使用弹簧单元RBE2模拟该衬套，由于公司仅给出衬套轴线方向(X方向)的刚度(240 kN/m)，另外两个方向的刚度未给出，经过试算，拟将另外两个方向(Y、Z)的衬套刚度取为400 kN/m。

(2)单元类型［4］的确定。实体网格选用 solid45，面网格选用shell63。在分别定义了各零件材料及划分单元类型时，为了使装配体能导入Nastran进行分析，还必须设定ET Ref.Name(相当于两软件之间的接口)，将user Profiles设置为Nastran之后，在菜单栏tools下选择Compenent table，打开其材料设置对话框，设定各个零件的ET Ref.Name，两软件之间的接口就设定好了。

2.5 边界条件的确定

散热器内部的水采用配重的方式分配到散热管和过水管道上，外部的风扇采用质量点的方式施加在风扇的重心位置。

散热器内部水总体积为1.2 L，其中过水管道内的水的体积约为0.5 L，上水室水的体积约为0.4 L，下水室内水的体积约为0.3 L，修改过水管道、上下水室、031主片的材料密度，把水的质量分配到以上三个组件上。在重心位置分配一个质量为3.6 kg的质量单元。经配重，散热器总成的质量为6.899 kg，与散热器实际质量基本一致。最后，分别在过水管道、散热片、主片、上下水室施加0.28 MPa水压。

在4个衬套处施加约束(即使用弹簧单元的一端连接4个约束点处的节点，约束弹簧单元的另外一端的六个自由度)最终得到的载荷约束如图13所示。

图13 模态分析有限元模型

3 散热器结构的模态分析

有限元模型建好后，在Hypermesh中定义分析计算的类型为modal，设置将扩展模数为3，之后导入Nastran中求解计算。在Hyperview中查看前三阶模态振型云图如图14所示。

图14 汽车散热器前三阶振型

试验值:公司用振动试验台扫频实验X方向结构采样点的响应曲线(如图15)，幅频曲线中波峰对应的频率即为结构的模态频率值，由图中可以明显看出结构前两阶模态分别为40 Hz、70 Hz。

图15 振动试验台扫频实验X方向幅频曲线

比较前两阶共振频率与试验得到的共振频率值大致一样，说明仿真结果的准确。由图14散热器前三阶振型图可以直观地看出:第一阶为散热器绕X轴的一阶弯曲振动，下水室的出口以及散热器芯子中间部分的散热片和散热管振动位移最大;第二阶为散热器绕Y轴的二阶弯曲振动，所有的散热片和散热管中间部分振动位移最大;第三阶为散热器绕X轴的三阶弯曲振动，散热器芯子两端的散热片和散热管振动位移最大。

散热器的激励一般来源于路面和发动机［5］。路面的激励频率一般为10～20 Hz;汽车发动机的怠速激励频率为23 Hz，发动机的转速一般维持在20 000～4 000 r/min(4缸发动机)，即基本频率为67～133 Hz。此汽车散热器一阶模态为39.37 Hz，避开了发动机的基本频率范围内，高于发动机怠速频率以及路面激励频率，发生共振的可能性极小;二、三阶模态分别为72.27 Hz、83.57 Hz，在发动机基本频率范围内，可能发生共振，造成构件的提前破坏［6］。可以在散热片上加工有凹凸的几何花纹、增加散热器与外接部件的连接刚度或者增大安装衬套的刚度等来提高散热器动态性能。

4 结语

根据目前CAE软件的不同优势，综合使用Pro/ E，Hypermesh和Nastran对散热器进行了有限元建模和模态分析，求解了散热器的前3阶模态参数，并与试验值相比较，验证了仿真结果的准确性。结果分析表明:在外界激励下，散热器的散热片和散热管处的振动位移较大，该处最先受到破坏，导致散热器漏水。此外，提出了一些改进措施，在理论上对散热器进一步改进提供了重要参考。

［1］ 庞 剑.汽车噪音与振动理论与应用［M］.北京:北京理工大学出版社，2006.

［2］ 孙运朝.浅谈汽车散热器的构造及其发展［J］.科技论坛，2011 (14):183.

［3］ 刘荣军.有限元建模中的几何清理问题［J］.机械设计与制造，2005(9):1461.

［4］ 王 鑫，麦云飞.有限元分析中单元类型的选择［J］.机械研究与应用，2009(6):43－45.

［5］ 王晖云.基于ANSYS的轻型载货汽车车架模态分析［J］.煤矿机械，2007，28(3):61.

［6］ 王桂梅，李凤玲.基于PROPE和NASTRAN的装载机工作装置模态分析［J］.河北工程大学学报，2011，28(3):92－93.

Modal Analysis for Car Radiator

YAO Lu，SHENG Bu－yun，WANG Chuan－pei
(College of Mechanical＆Electrical Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei420100，China)

The model of the radiator is made with Pro/E and is imported into the Hypermesh.Then the geometric cleaning，meshing，etc are made in the Hypermesh，and the finite element modeling is completed;The model is analyzed with the Nastran and the vibration mode of the top 3 order modal analysis under the water pressure of 0.28 MPa is obtained.The frequencies are compared to the excitation frequency，the accuracy of the simulation results are verified.Through analysis the improvement measures are proposed for weak part，which provides an important reference on the radiator for further improvement in theory.

radiator;finite element modeling;modal analysis;improvement measures

TH123

A

1007－4414(2013)05－0008－04

2013－09－04

姚璐(1990－)，女，湖北襄阳人，在读硕士，研究方向:CAE/CAD/CAM/CAPP，数字信息制造。