某型电动汽车副水箱在不同温度下的有限元分析及实验验证

杨 军，刘奇飞

（1.广州中新汽车零部件有限公司，广州 511365；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510630）

0 引言

近年来，在全球气候变暖的大背景下，国家对新能源汽车产业进行了大力扶持，各种补贴政策的出台引来众多厂商纷纷进军新能源行业，新能源汽车年产量与年销量持续提升[1]。因此，电动汽车的相关技术和应用方面的研究成为了汽车行业关注的重点[2]。

电动汽车虽然没有了发动机，但电动机和动力电池在使用过程中会产生热量，同样需要冷却。副水箱是水冷式冷却系统的重要零件之一，其主要作用是给冷却系统加冷却液，当冷却液受热膨胀后可以给系统提供一定的缓冲容积，所以副水箱在使用过程中的耐用性关系到电动汽车是否能良好散热[3]。性能良好的副水箱应能在不同的使用温度及压力作用下，不产生表面裂缝或较大的变形。查阅相关文献发现，国内对汽车副水箱整体的CAE分析只有陈承等[4]完成过，且分析的是一款重型商用车上的水箱，这也从侧面反映出乘用车水箱出问题的概率不大，没有引起足够的关注。本文首先对某型号电动汽车副水箱在所选取的3种不同温度和压力下的受力进行CAE 仿真分析，并分别用相应实验对仿真结果进行了一定的验证。仿真加实验验证的方式有利于提高计算机仿真在实际运用中的水平，良好的CAE 模型也可以进一步提高产品性能及可靠性[5]，通过仿真分析发现产品的隐患，可以有针对性地进行优化[6]，本次分析结果能对水箱后续的性能改善提供正确的指导，这也是有限元分析的目标之一。

1 物理模型

如图1 所示，该型电动汽车副水箱由上、下两部分组成，上、下两部分通过热板熔接连接在一起。冷却液加注口设于水箱上部，进液口、出液口则设在水箱下部，进液口、出液口可以和内部管路进行循环。另总共设有3个固定吊耳用于固定水箱，孔内的金属衬套可以改善水箱的受力情况。水箱内部设有纵横交错的隔板，隔板可以对水箱进行一定程度的加强。

图1 副水箱物理模型Fig.1 Physical model of the auxiliary water tank

2 有限元模型的建立

2.1 网格划分

由于该设备尺寸较大且结构复杂，用Abaqus自带的前处理软件很难对建立的几何模型进行网格划分，因此采用了专业前处理软件Hypermesh对几何模型进行网格划分，且均采用四面体网格[7]，而用Abaqus的Standard通用分析模块进行求解计算[8]。

在有限元分析中，网格划分占据整个分析过程的大部分时间，对分析结果的好坏影响重大[9]。为得到良好的分析结果，需要选择合适的单元类型[10]。为提高有限元分析的效率和网格质量，在真实反映水箱主要力学特性的前提下，对水箱的结构进行了一些简化[11]：（1）取消了加注口、进液口及出液口；（2）取消了水箱外表面上的凹条，水箱表面圆滑过渡；（3）吊耳安装孔附近表面进行了平整处理，实际上会有局部凸起。整个模型的四面体单元数为305 787 个，节点共153 256个。

2.2 材料属性

由于PP材料在不同温度下，其杨氏模量会发生变化，一般变化规律是随温度的升高而降低[12]。通过材料试验得到其在不同温度下的杨氏模量，试验所得曲线如图2所示。

图2 材料试验应力应变曲线Fig.2 Stress－strain curve of material test

在本次分析中，水箱安装孔内钢珠的变形不是研究的重点，且其杨氏模量在－40～120 ℃温度范围内的变化不会对分析结果产生很大影响，所以取常温下的定值进行计算。最后所确定的材料属性如表1所示。

表1 材料属性Tab.1 Material properties

3 工况分析

针对水箱日常工作的实际情况，选取了其在不同温度和压力下的3种工况，分析水箱是否有破裂或裂纹以及应力、应变分布。具体为：（1）在23 ℃常温条件下，向内施加压力150 kPa；（2）在－40 ℃低温条件下，向内施加压力200 kPa；（3）在120 ℃高温条件下，向内施加压力200 kPa。

4 有限元分析结果

（1）常温条件下，向水箱内施加压力150 kPa，水箱应力、应变分布如图3所示。在23℃常温条件下，向水箱内施加压力150 kPa。水箱所受的最大应力为47.07 MPa，所受的最大应变为0.025 47，水箱不会产生裂纹但内部有小部分隔板产生塑性变形。

图3 常温条件下应力、应变分布Fig.3 Stress and strain distribution at normal temperature

（2）低温－40 ℃条件下，向水箱内施加压力200 kPa，应力、应变分布如图4所示。在－40 ℃低温条件下，向内施加压力200 kPa。水箱所受的最大应力为62.81 MPa，水箱所受的最大应变为0.071 23，未出现破裂现象且水箱不会产生塑性变形。

图4 低温条件下应力、应变分布Fig.4 Stress and strain distribution at low temperature

（3）在120 ℃高温条件下，向内施加压力200 kPa，应力、应变分布如图5所示。在120 ℃高温条件下，向内施加压力200 kPa。水箱所受的最大应力为51.57 MPa，水箱所受的最大应变为0.260 2。在此条件下，水箱不会出现破裂现象，但内部较多区域产生塑性变形。

图5 高温条件下应力、应变分布Fig.5 Stress and strain distribution at high temperature

以上3 种条件下的有限元分析结果都满足预期目标，即水箱不会产生破裂或裂纹。

5 实验验证

为了验证有限元分析的准确性，对有限元分析的3 种情况都进行了相应的实验验证。由于应力不好测量，实验中选取了8 个测点，测量水箱的应变，每个测点都有X、Y 两个方向，各测点分布如图6所示。实验中设备连接线路如图7所示。

图6 各测点分布Fig.6 Location of measurement points

图7 设备连接线路Fig.7 Equipment connection circuit diagram

为满足温度条件，连接完成后将水箱放置在恒温温箱中，如图8所示，为了在实验中监测水箱表面温度，在水箱表面粘贴了2个由热电偶线组成的温度传感器。

图8 温箱中的水箱Fig.8 The water tank in the thermostat

5.1 常温23 ℃实验

实验开始前在Labview 程序上对各测点进行“清零”，数据采集的频率设置为每分钟250个采集点。

在常温23 ℃环境中，向水箱内迅速施加压力直至达到150 kPa，水箱表面8个测点所测得的应变大小如图9所示。实验持续30 min，总共采集了7 500个点。由曲线可以看出，水箱表面应变随着压力的迅速升高而迅速增大，测得的最大应变为0.001 812，各测点在达到最大应变后基本维持不变。

图9 23 ℃时的应变曲线Fig.9 Strain curves at 23 ℃

5.2 低温－40 ℃实验

－40℃实验进行了40 min，在常温下同时增大压力与下降温度，但压力3 min 内就达到目标值200 kPa。各测点的应变随着压力升高迅速增大后又随着温度的逐渐降低而减小，测得的最大应变为0.002 458。在结束实验时，温箱的环境温度已经达到－40 ℃，但是水箱表面只达到－14 ℃。如图10所示。

图10 －40 ℃时的应变曲线Fig.10 Strain curves at－40 ℃

5.3 高温120 ℃实验

120 ℃实验同样进行了40 min，在常温下同时增大压力与升高温度，压力值可以迅速达到目标值200 kPa，温度上升较缓慢。各测点的应变开始随着压力的迅速增大而迅速增加，之后增加的速度下降，甚至有的测点方向还会有所下降，所测得的最大应变为0.005 013。在实验结束时，环境温度已经达到120 ℃，但水箱表面只达到85 ℃。如图11所示。

图11 120 ℃时的应变曲线Fig.11 Strain curves at 120 ℃

6 结果对比

无论在有限元分析还是实验中，水箱都没有出现裂纹现象，说明该型电动汽车副水箱满足企业相关可靠性要求。由于应变片粘贴位置受限，无法将应变片粘贴到有限元分析中的应变较大处位置，也就不能对最大应变位置进行相应对比。在有限元分析中，应力大都集中于水箱内部肋板处，而水箱表面的应力较小，这就和实验所测数据相对符合。因此，将实验中选择的8个测点的数据与仿真中同一位置数据进行对比。

可以看到，在23 ℃的仿真与实验对比中，虽然数值大小有一定差异，但各点位的大小趋势基本相符，该项对比的最大差值为182微应变。如表2所示。

表2 常温23 ℃仿真与实验结果对比Tab.2 Comparison of simulation and experimental results at 23 ℃

在－40 ℃实验时，由于实验条件限制，不能等待水箱表面达到目标温度，但同样各点位大小趋势相符，该项对比的最大差值为160微应变。如表3所示。

表3 －40 ℃仿真与实验结果对比Tab.3 Comparison of simulation and experimental results at－40 ℃

同样受限于实验条件，120 ℃实验也没有让水箱表面达到目标温度，该项对比最大差值为571微应变。随着温度继续升高，材料的杨氏模量变小，水箱的变形继续增大，仿真结果与这一趋势相符合。如表4所示。

表4 120 ℃仿真与实验结果对比Tab.4 Comparison of simulation and experimental results at－120 ℃

7 结束语

通过对比得知，本文所建立的有限元仿真模型不仅能较好地呈现所选择测点应变的大小相对关系，且在不同温度下的变化趋势也与实验相符合，具体的数值大小虽然有差异，但也有较高的参考度，说明在本次建立电动汽车副水箱有限元模型的过程中，三维模型简化、网格划分以及分析方法都基本正确，能较好地反映实物的特性，是CAE 技术在企业应用的一次成功实践。另一方面，结果也对实验用到的设备和方法进行了验证，实验经验的积累有利于提高后续实验的效率和准确性。CAE 技术的应用可以节省零部件设计的时间和成本，通过对仿真经验和实验数据的积累，也可以提高CAE模型的准确度，从而最终提高零部件开发优化的能力[13]，为企业对产品进行优化升级提供明确的导向作用。