倪晉挺,王愛國(guó),張錢斌

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

汽車空調(diào)蒸發(fā)器芯進(jìn)出水管結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

倪晉挺,王愛國(guó),張錢斌

(安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

針對(duì)某一車型汽車空調(diào)蒸發(fā)器芯進(jìn)水管在行駛2萬公里時(shí)蒸發(fā)器芯進(jìn)水管根部出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，利用有限元分析軟件Hypermesh，建立蒸發(fā)器芯的CAD模型并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，以ABAQUS為求解器，對(duì)蒸發(fā)器芯進(jìn)出水管進(jìn)行強(qiáng)度校核。分析結(jié)果與實(shí)際斷裂位置吻合，為蒸發(fā)器芯進(jìn)出水管的前期設(shè)計(jì)提供一種方法。

蒸發(fā)器；進(jìn)出水管；強(qiáng)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

蒸發(fā)器是汽車空調(diào)系統(tǒng)的一個(gè)主要部件，其作用是將從膨脹閥出來的低壓制冷劑蒸發(fā)而吸收車內(nèi)空氣的熱量，從而達(dá)到車內(nèi)降溫目的[1-2]。文中針對(duì)某款裝配SQR473發(fā)動(dòng)機(jī)的車型在行駛2萬多公里時(shí)，蒸發(fā)器芯進(jìn)水管根部經(jīng)常出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象(如圖1所示)，運(yùn)用有限元法展開分析。根據(jù)蒸發(fā)器芯的結(jié)構(gòu)和安裝情況，初步判斷主要是X向推力對(duì)進(jìn)水管起主要破壞作用。從破壞的進(jìn)水管上發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水管X正向的移動(dòng)位移大概3 mm左右。為查找問題的原因，運(yùn)用大型有限元軟件Hypermesh和ABAQUS對(duì)蒸發(fā)器芯結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行強(qiáng)度分析，提出改進(jìn)建議。

1 斷裂件載荷分析

斷裂件狀況分析：(1)從蒸發(fā)器安裝上得知，蒸發(fā)器在Y、Z兩個(gè)方向上固定不動(dòng)，在X正方向(向后)也不動(dòng)，在X負(fù)方向(向前)主要是靠固定在HVAC殼體上進(jìn)出水管的管夾來阻止該方向的運(yùn)動(dòng)，其次殼體內(nèi)固定點(diǎn)的摩擦力也能阻止蒸發(fā)器在X負(fù)方向的運(yùn)動(dòng)。由于蒸發(fā)器質(zhì)量較小，慣性載荷的作用對(duì)其影響較小，可以排除慣性載荷的影響。管夾主要是防止蒸發(fā)器及進(jìn)出水管X負(fù)方向(向前)的運(yùn)動(dòng)，如圖2(a)所示，所以當(dāng)管子受到向前的載荷作用時(shí)該管夾能起到很好的支撐作用。而在管夾固定處，進(jìn)出水管與HVAC殼體配合大約有1.5 mm左右(從模型中量得)的間隙，如圖2(b)所示，說明該處沒有對(duì)進(jìn)出水管在X正方向(向后)起到有效的支撐，如果受到該方向的載荷，管子根部應(yīng)該是承受載荷比較大的部位。(2)從蒸發(fā)器上兩根管子的功能看，斷裂的都是進(jìn)水管，進(jìn)水的壓力要比出水的壓力大，進(jìn)水的壓力方向是X正方向(向后)，剛好是管子缺少支撐的方向。而出水管壓力較小，且受到的出水壓力方向是X負(fù)方向(向前)，且該方向有管夾的支撐，工況條件比進(jìn)水管好。(3)從斷裂的進(jìn)水管上可以看出：在與車身鈑金件接觸的部位有3 mm左右寬的滑動(dòng)痕跡，由痕跡走向知是水管受到X正方向(向后)的推力使水管與接觸鈑金件產(chǎn)生摩擦。(4)從進(jìn)出水管與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接可以看出：在SQR473上與進(jìn)水管連接的橡膠管直線連接，中間沒有緩沖，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力直接傳遞到進(jìn)水管上；而與出水管連接的橡膠管有一個(gè)折彎，且與其他橡膠管有連接，彎曲的軟管能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力和水的壓力有一定的緩沖，從而得知進(jìn)水管的工況比出水管惡劣些。

2 蒸發(fā)器芯有限元建模與邊界條件確定

2.1 蒸發(fā)器芯有限元建模

采用CAD軟件CATIA對(duì)蒸發(fā)器芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，運(yùn)用Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并采用大型非線性計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[3]。在蒸發(fā)器芯有限元建模過程中，因?yàn)槲闹兄荚诳疾檫M(jìn)出水管根部的斷裂破壞情況，只需對(duì)進(jìn)出水管與HVAC殼體固定處進(jìn)行詳細(xì)建模，蒸發(fā)器芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡(jiǎn)化，用一塊厚度為10mm的合金鋼板粗略模擬。合金鋼板采用程序自動(dòng)控制實(shí)體的網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸10 mm。為了使進(jìn)出水管及其安裝部位更好地貼合實(shí)際模型，采用人工建模，單元尺寸3 mm。有限元模型如圖3所示。

2.2 有限元模型邊界條件的施加

HVAC殼體材料為Al合金(屈服強(qiáng)度200 MPa)，料厚為1.5 mm。計(jì)算材料的彈性模量和泊松比分別為：E=7.0×104MPa，ν=0.3。在Hypermesh中將劃分好的有限元網(wǎng)格進(jìn)行材料屬性、邊界條件、接觸定義及分析步的設(shè)置，保存為inp格式文件。

在蒸發(fā)器芯有限元模型的3條邊線上(安裝進(jìn)出水管的邊除外)各選取一排節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，并約束X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，將蒸發(fā)器芯看做固定平面。為考察發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)對(duì)進(jìn)出水管的影響，需要對(duì)該模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，模態(tài)分析采用Lanczos特征值解法，因?yàn)镾QR473發(fā)動(dòng)機(jī)二階頻率在250 Hz以內(nèi)，故求解階數(shù)設(shè)為4階[4]。根據(jù)進(jìn)出水管的受力狀況，強(qiáng)度分析有兩種工況：工況1：進(jìn)出水管受到推力時(shí)，在水管端部施加與X正方向(向后)平行的位移3 mm，因推力工況中管夾不起作用可去除，如圖4所示；工況2：進(jìn)出水管受到拉力時(shí)，管夾起到支撐作用，模型中需定義管夾與管子的接觸關(guān)系，但管夾強(qiáng)度不考慮，如圖5所示。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 約束模態(tài)分析結(jié)果

由模態(tài)分析結(jié)果知：第1階次(143 Hz)主振型是進(jìn)出水管X向前后同步振動(dòng)，進(jìn)水管振幅大于出水管；第2階次(166.5 Hz)主振型是進(jìn)出水管X向前后非同步振動(dòng)，出水管振幅大于進(jìn)水管；第3階次(192 Hz)主振型是出水管Y向振動(dòng)；第4階次(227.5 Hz)主振型是出水管Y向振動(dòng)。250 Hz以內(nèi)的振型主要出現(xiàn)在出水管，振型主要就是以上4種，每種振型的應(yīng)變能都集中在管子根部。應(yīng)變能云圖見圖6—9。

3.2 強(qiáng)度分析結(jié)果

強(qiáng)度分析工況1。從圖10可以看出：進(jìn)出水管在X向沒有有效支撐的時(shí)候，根部是應(yīng)力集中的部位，且進(jìn)水管根部的應(yīng)力值已經(jīng)超過材料的屈服極限，強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足要求。

圖11中的灰色區(qū)域是管子X向位移大于1.5 mm的部分，在管夾位置X向位移沒有達(dá)到1.5 mm，說明進(jìn)出水管在該工況下還沒有與HVAC殼體接觸上，管子還處于X向無支撐狀態(tài)。

由表1得知:進(jìn)水管在工況1下的剛度大于出水管，但兩個(gè)管子在X方向的剛度都比較差。

表1 工況1 進(jìn)出水管X向剛度

強(qiáng)度分析工況2。從圖12—13可以看出：拉力狀態(tài)下，應(yīng)力集中的區(qū)域主要在管子根部的上端和管夾處，說明管夾對(duì)管子的支撐起到了明顯的作用。在加載到0.675步時(shí)，進(jìn)水管受到的載荷達(dá)344.097 N，且只是進(jìn)水管上的應(yīng)力超過了屈服，而根部焊接處相連接位置的應(yīng)力還在屈服極限以內(nèi)，所以在受到拉力載荷的情況下，開始破壞的區(qū)域不應(yīng)該在根部連接處，且如此大的破壞力工況也較難出現(xiàn)，對(duì)比實(shí)際斷裂情況，可以排除進(jìn)水管不是由拉力造成的破壞。

由表2得知，進(jìn)水管在工況2下的受拉狀態(tài)剛度大于出水管，與受推工況相比，抗拉性能好很多，故工況2不是造成破壞的原因。

表2 工況2 進(jìn)出水管X向剛度

綜合模態(tài)及強(qiáng)度分析結(jié)果：(1)X向的推力對(duì)進(jìn)出水管的影響最大，且需要的破壞載荷較小，可以判斷推力是進(jìn)水管的主要破壞載荷。(2)進(jìn)水管比出水管的剛度大且進(jìn)水管在250Hz內(nèi)的主振型少于出水管，但破壞的卻都是進(jìn)水管，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)分析是因?yàn)檫M(jìn)水管連接的橡膠管是直線連接，中間沒有緩沖，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的載荷直接傳到進(jìn)水管上，而與出水管連接的橡膠管有一個(gè)折彎，彎曲的軟管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力和水的壓力產(chǎn)生一定的緩沖，從而使傳到出水管上的力小很多。4結(jié)論

通過以上分析得知：產(chǎn)生該問題的根本原因是蒸發(fā)器進(jìn)水管的走向或在整車上無固定點(diǎn)，以致發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通過橡膠管直接傳遞到蒸發(fā)器進(jìn)水管根部造成破壞。

改進(jìn)建議：(1)改善進(jìn)水管的支撐狀態(tài)，使管子在X向運(yùn)動(dòng)時(shí)起到有效的支撐，防止管子根部出現(xiàn)應(yīng)力集中；(2)改善與進(jìn)水管連接的橡膠管連接形式，使橡膠管起到緩沖作用。

【1】 唐連偉，何雅玲.汽車空調(diào)換熱器特點(diǎn)及應(yīng)用發(fā)展研究[J].制冷與空調(diào)，2005,12(6):1-4.

【2】 智晉寧，要志斌.基于Hypermesh的輕型貨車車架動(dòng)態(tài)特性有限元分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,32(2):117-120.

【3】 呂冬慧，劉煥嶺,王韜,等.摩托車車架疲勞強(qiáng)度分析[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2010,39(6):30-32.

【4】 高書娜，鄧兆祥.車身點(diǎn)焊連接有限元模擬方法研究[J].汽車工程，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

倪晉挺(1983—)，男，碩士，講師，主要從事汽車CAE仿真研究。E-mail:xiaoni_anhui@126.com。