汽车空调蒸发器芯进出水管结构强度分析

倪晋挺,王爱国,张钱斌

(安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241000)

汽车空调蒸发器芯进出水管结构强度分析

倪晋挺,王爱国,张钱斌

(安徽机电职业技术学院，安徽芜湖 241000)

针对某一车型汽车空调蒸发器芯进水管在行驶2万公里时蒸发器芯进水管根部出现断裂现象，利用有限元分析软件Hypermesh，建立蒸发器芯的CAD模型并进行有限元网格划分，以ABAQUS为求解器，对蒸发器芯进出水管进行强度校核。分析结果与实际断裂位置吻合，为蒸发器芯进出水管的前期设计提供一种方法。

蒸发器；进出水管；强度分析；有限元法

Abstract:Aimed at the breakage phenomenon of one model of car air conditioner evaporator core inlet pipe root occurred when the car travelled 20 000 kilometers,by using finite element software Hypermesh,CAD model of the evaporator core was established.It was meshed by FEM,and solved by using ABAQUS.Strength check for Inlet and outlet pipe of the evaporator core was done.The analysis results coincide with the actual fracture location.It provides a new method for the preliminary design of the inlet and outlet pipe evaporator core.

Keywords:Evaporator;Inlet and outlet pipe;Strength analysis;FEM

0 引言

蒸发器是汽车空调系统的一个主要部件，其作用是将从膨胀阀出来的低压制冷剂蒸发而吸收车内空气的热量，从而达到车内降温目的[1-2]。文中针对某款装配SQR473发动机的车型在行驶2万多公里时，蒸发器芯进水管根部经常出现的断裂现象(如图1所示)，运用有限元法展开分析。根据蒸发器芯的结构和安装情况，初步判断主要是X向推力对进水管起主要破坏作用。从破坏的进水管上发现，进水管X正向的移动位移大概3 mm左右。为查找问题的原因，运用大型有限元软件Hypermesh和ABAQUS对蒸发器芯结构建模并进行强度分析，提出改进建议。

1 断裂件载荷分析

断裂件状况分析：(1)从蒸发器安装上得知，蒸发器在Y、Z两个方向上固定不动，在X正方向(向后)也不动，在X负方向(向前)主要是靠固定在HVAC壳体上进出水管的管夹来阻止该方向的运动，其次壳体内固定点的摩擦力也能阻止蒸发器在X负方向的运动。由于蒸发器质量较小，惯性载荷的作用对其影响较小，可以排除惯性载荷的影响。管夹主要是防止蒸发器及进出水管X负方向(向前)的运动，如图2(a)所示，所以当管子受到向前的载荷作用时该管夹能起到很好的支撑作用。而在管夹固定处，进出水管与HVAC壳体配合大约有1.5 mm左右(从模型中量得)的间隙，如图2(b)所示，说明该处没有对进出水管在X正方向(向后)起到有效的支撑，如果受到该方向的载荷，管子根部应该是承受载荷比较大的部位。(2)从蒸发器上两根管子的功能看，断裂的都是进水管，进水的压力要比出水的压力大，进水的压力方向是X正方向(向后)，刚好是管子缺少支撑的方向。而出水管压力较小，且受到的出水压力方向是X负方向(向前)，且该方向有管夹的支撑，工况条件比进水管好。(3)从断裂的进水管上可以看出：在与车身钣金件接触的部位有3 mm左右宽的滑动痕迹，由痕迹走向知是水管受到X正方向(向后)的推力使水管与接触钣金件产生摩擦。(4)从进出水管与发动机的连接可以看出：在SQR473上与进水管连接的橡胶管直线连接，中间没有缓冲，发动机运动产生的力直接传递到进水管上；而与出水管连接的橡胶管有一个折弯，且与其他橡胶管有连接，弯曲的软管能对发动机产生的力和水的压力有一定的缓冲，从而得知进水管的工况比出水管恶劣些。

2 蒸发器芯有限元建模与边界条件确定

2.1 蒸发器芯有限元建模

采用CAD软件CATIA对蒸发器芯结构进行建模，运用Hypermesh进行有限元网格划分，并采用大型非线性计算软件ABAQUS进行结构强度计算[3]。在蒸发器芯有限元建模过程中，因为文中旨在考查进出水管根部的断裂破坏情况，只需对进出水管与HVAC壳体固定处进行详细建模，蒸发器芯内部结构可适当简化，用一块厚度为10mm的合金钢板粗略模拟。合金钢板采用程序自动控制实体的网格划分，最大单元尺寸10 mm。为了使进出水管及其安装部位更好地贴合实际模型，采用人工建模，单元尺寸3 mm。有限元模型如图3所示。

2.2 有限元模型边界条件的施加

HVAC壳体材料为Al合金(屈服强度200 MPa)，料厚为1.5 mm。计算材料的弹性模量和泊松比分别为：E=7.0×104MPa，ν=0.3。在Hypermesh中将划分好的有限元网格进行材料属性、边界条件、接触定义及分析步的设置，保存为inp格式文件。

在蒸发器芯有限元模型的3条边线上(安装进出水管的边除外)各选取一排节点进行耦合，并约束X、Y、Z三个方向的平动自由度，将蒸发器芯看做固定平面。为考察发动机振动对进出水管的影响，需要对该模型进行约束模态分析，模态分析采用Lanczos特征值解法，因为SQR473发动机二阶频率在250 Hz以内，故求解阶数设为4阶[4]。根据进出水管的受力状况，强度分析有两种工况：工况1：进出水管受到推力时，在水管端部施加与X正方向(向后)平行的位移3 mm，因推力工况中管夹不起作用可去除，如图4所示；工况2：进出水管受到拉力时，管夹起到支撑作用，模型中需定义管夹与管子的接触关系，但管夹强度不考虑，如图5所示。

3 计算结果与分析

3.1 约束模态分析结果

由模态分析结果知：第1阶次(143 Hz)主振型是进出水管X向前后同步振动，进水管振幅大于出水管；第2阶次(166.5 Hz)主振型是进出水管X向前后非同步振动，出水管振幅大于进水管；第3阶次(192 Hz)主振型是出水管Y向振动；第4阶次(227.5 Hz)主振型是出水管Y向振动。250 Hz以内的振型主要出现在出水管，振型主要就是以上4种，每种振型的应变能都集中在管子根部。应变能云图见图6—9。

3.2 强度分析结果

强度分析工况1。从图10可以看出：进出水管在X向没有有效支撑的时候，根部是应力集中的部位，且进水管根部的应力值已经超过材料的屈服极限，强度已经不能满足要求。

图11中的灰色区域是管子X向位移大于1.5 mm的部分，在管夹位置X向位移没有达到1.5 mm，说明进出水管在该工况下还没有与HVAC壳体接触上，管子还处于X向无支撑状态。

由表1得知:进水管在工况1下的刚度大于出水管，但两个管子在X方向的刚度都比较差。

表1 工况1 进出水管X向刚度

强度分析工况2。从图12—13可以看出：拉力状态下，应力集中的区域主要在管子根部的上端和管夹处，说明管夹对管子的支撑起到了明显的作用。在加载到0.675步时，进水管受到的载荷达344.097 N，且只是进水管上的应力超过了屈服，而根部焊接处相连接位置的应力还在屈服极限以内，所以在受到拉力载荷的情况下，开始破坏的区域不应该在根部连接处，且如此大的破坏力工况也较难出现，对比实际断裂情况，可以排除进水管不是由拉力造成的破坏。

由表2得知，进水管在工况2下的受拉状态刚度大于出水管，与受推工况相比，抗拉性能好很多，故工况2不是造成破坏的原因。

表2 工况2 进出水管X向刚度

综合模态及强度分析结果：(1)X向的推力对进出水管的影响最大，且需要的破坏载荷较小，可以判断推力是进水管的主要破坏载荷。(2)进水管比出水管的刚度大且进水管在250Hz内的主振型少于出水管，但破坏的却都是进水管，结合现场分析是因为进水管连接的橡胶管是直线连接，中间没有缓冲，发动机运动产生的载荷直接传到进水管上，而与出水管连接的橡胶管有一个折弯，弯曲的软管对发动机产生的力和水的压力产生一定的缓冲，从而使传到出水管上的力小很多。4结论

通过以上分析得知：产生该问题的根本原因是蒸发器进水管的走向或在整车上无固定点，以致发动机的振动通过橡胶管直接传递到蒸发器进水管根部造成破坏。

改进建议：(1)改善进水管的支撑状态，使管子在X向运动时起到有效的支撑，防止管子根部出现应力集中；(2)改善与进水管连接的橡胶管连接形式，使橡胶管起到缓冲作用。

【1】 唐连伟，何雅玲.汽车空调换热器特点及应用发展研究[J].制冷与空调，2005,12(6):1-4.

【2】 智晋宁，要志斌.基于Hypermesh的轻型货车车架动态特性有限元分析[J].太原科技大学学报，2011,32(2):117-120.

【3】 吕冬慧，刘焕岭,王韬,等.摩托车车架疲劳强度分析[J].小型内燃机与摩托车，2010,39(6):30-32.

【4】 高书娜，邓兆祥.车身点焊连接有限元模拟方法研究[J].汽车工程，2008，30:811-815.

StrengthAnalysisofInlet&OutletPipeofAutomotiveAirConditioningEvaporatorCore

NI Jinting, WANG Aiguo, ZHANG Qianbin

(Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhu Anhui 241000,China)

2014-07-01

倪晋挺(1983—)，男，硕士，讲师，主要从事汽车CAE仿真研究。E-mail:xiaoni_anhui@126.com。