某车型冷凝器支架开裂分析及其优化设计

武立胜 韦秀梅 何斌

摘  要：本文针对路试故障件，分析了可能的原因，建立了冷凝器的有限元模型，利用Radioss软件进行模态和强度分析。从而找出结构的应力集中区域，并对结构进行了改进设计，对最终优化模型进行强度分析，结果满足设计目标要求，实际样件也通过了耐久试验，从而表明有限元分析方法的可行性，为工程设计提供了有力的工具。

关键词：冷凝器支架;开裂分析;优化设计

中图分类号：U463.61    文献标识码：      文章编号：1005-2550（2018）06-0110-06

The Cracking Analysis And Its Optimized Design of

A Vehicle Condenser

WU Li-sheng， WEI Xiu-mei， HE Bin

（ AnHui Jiang Huai Automobile Co.，Ltd ， Hefei 230022， China ）

Abstract： This paper analyzes the possible causes of failure parts when the road test. A finite element model of the condenser was established. Using Radioss software for modal and strength analysis. The stress concentration area of the structure was found out. The final optimization model satisfies goals of the stiffness and intensity. The sample has passed road durability test. Research shows that the finite element analysis is an effective method.

1    引言

汽車冷凝器支架是将空调冷凝器固定在车架上的重要零部件，在设计初期一般通过计算机模拟仿真来预测结构的可靠性。汽车零部件的耐久性试验表明，零部件疲劳失效基本上都发生在结构的应力集中部位，例如过渡圆角根部。本文根据强化路试故障件进行结构分析，找出应力集中位置，改进了一种冷凝器，从而延长了其疲劳寿命。

2    冷凝器支架路试失效

2.1   失效模式

在定远试验场强化路试过程，发现安装在车架右纵梁上的冷凝器支架两处发生开裂，行驶里程在2754km发生开裂，更换新件后行驶2100km又发生开裂，开裂位置有两处：1）支架Ⅲ与支撑钢管焊接处下方;2）支架Ⅲ折弯处，如图1和图2所示：

2.2   失效原因初步分析

汽车强化路试中，冷凝器支架所受载荷比较复杂，常见以结构疲劳耐久失效为主[1]，发生断裂主要原因可能有：1）焊接质量不良和焊缝强度不足导致;2）冷凝器支架总成强度不足，在极限载荷下，应力集中处发生疲劳导致;3）冷凝器支架总成模态设计不合理共振导致。检查故障件开裂位置不在焊接处，排除了原因1可能。冷凝器支架总成冷凝器通过支架Ⅰ和支架Ⅲ将其固定在车架纵梁上，在强化路试中受到来自地面的Z向冲击，初步分析是开裂处应力集中，导致局部高应力区可能使冷凝器支架总成发生疲劳破坏。后续分析将对其作进一步验证说明。

3    计算模型与分析

3.1   冷凝器支架有限元模型

现有的冷凝器支架如下图3所示，冷凝器与支架Ⅰ、支架Ⅳ和支架Ⅴ通过三个螺栓连接，支持钢管与图示五个支架用焊接方式连接，支架Ⅰ和支架Ⅲ通过螺栓车架纵梁连接。

创建有限元模型时，截取车架纵梁部分数模，并约束其两端截断处的全部自由度。支架与支撑钢管之间因是焊接，可用一维刚性连接单元RBE2处理，定义冷凝器支架与车架左纵梁固定处的接触，冷凝器重4.35kg，在质心处用质量单元模拟，支架Ⅰ到支架Ⅴ五个件厚度均为3mm，支撑钢管为2mm，最终有限元模型如图2所示。车架纵梁材料为510L，其他件材料为Q235A，材料力学性能如表1所示：

表1 材料力学性能

对冷凝器支架总成进行有限元分析。考察三种工况：（1）制动：X向1g、Y向0g、Z向-1g;（2）转向：X向0g、Y向1g、Z向-1g;（3）垂向冲击：X向0g、Y向0g、Z向-3.5g。评价标准是所有材料应力小于材料的屈服极限。

3.2   模态计算及分析

支架Ⅰ和支架Ⅲ通过四个螺栓与车架纵梁连接，约束四个螺栓孔的全部自由度，定义一个约束模态工况，计算得前四阶约束模态如下。

该车型发动机怠速转速是750rpm，其怠速频率为25Hz，与冷凝器支架并无重合频率，开裂不是共振导致，因而冷凝器支架模态设计合理。

3.3   强度计算及分析

强度计算结果表明：制动和转向工况满足材料强度要求，垂向冲击下最大应力为422.6MPa，不满足目标要求，从图12和图13局部应力图可看出应力最大处，正是在强化路发生疲劳开裂的区域，这表明利用静态线性有限元分析确定疲劳裂纹发生区域是有效的。

4    冷凝器支架结构优化设计

从强度分析结果看，应力最大在支架Ⅲ折弯处上方以及支架Ⅲ与支撑钢管焊接处下方，改进措施为：1）通过增加钢管来提高整个支架的强度;2）支架Ⅲ两侧增加翻边;3）支架Ⅲ厚度增加到4mm。改进后的模型如下：

对改进后的结构再进行强度计算，三种工况下应力云图如图16-图18所示，数值表3所示。

从应力云图可看出，制动和转向工况最大应力发生在支架Ⅲ折弯处;垂向冲击工况最大应力

发生在增加的钢管与支撑钢管两端焊接处。从表4可得知三种工况下的安全系数均大于1，满足目标要求。同时将改进后的结构装车继续进行强化路试验证，经过8000公里强化后，改进后的结构并未发生变形和开裂现象，满足车辆试验要求。

5    结论

（1）本文针对强化路试验过程中出现的故障件，分析了可能发生的原因。采用计算机模拟仿真技术，计算了冷凝器支架的前四阶约束模态，并与发动机的怠速频率对比，从而排除了固有频率设计不合理导致开裂。

（2）创建了冷凝器有限元模型，约束模态分析结果满足设计要求。又分三种工况计算了冷凝器支架的强度，结果发现支架Ⅲ的强度不足、支撑钢管与支架Ⅲ焊接处下方应力大是导致支架开裂的主要因素。

（3）根据分析结果，重新对支架Ⅲ进行翻边加强和厚度增加，同時增加一个钢管加强整个冷凝器支架刚度。强度计算结果表明改进后的结构满足材料强度，最后通过再次强化路试也验证了改进后的结构设计合理，满足要求。

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