陳凱

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇因其在冷卻系統(tǒng)中的重要性而備受關(guān)注，但扇葉的斷裂也使設(shè)計(jì)者備受困擾，同時(shí)給使用者也帶來(lái)諸多的麻煩。針對(duì)以上問(wèn)題，在HyperMesh中首先對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行前期的幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學(xué)分析和模型優(yōu)化析最后通過(guò)模態(tài)分析對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證等完成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的有限元分析，結(jié)果表明：模態(tài)分析的前六階的振動(dòng)頻率和主振型都比較穩(wěn)定證明優(yōu)化的可行性。進(jìn)而提高風(fēng)扇的靜力學(xué)性能，改善風(fēng)扇的工作質(zhì)量。

Abstract： The engine fan has attracted much attention because of its importance in the cooling system， but the fracture of the fan blade also troubles the designer， and also brings a lot of trouble to the user. In view of the above problems， in HyperMesh， the fan is firstly subjected to geometric processing， meshing， static analysis and model optimization analysis， and finally the optimized model is verified through modal analysis to complete the finite element analysis of the engine cooling fan. The results show that the first six vibration frequencies and main vibration modes of the modal analysis are relatively stable， which proves the feasibility of optimization. In turn， the static performance of the fan is improved， and the working quality of the fan is improved.

關(guān)鍵詞：HyperMesh;汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇;模態(tài)分析;振動(dòng)頻率;主要振型

Key words： HyperMesh;automobile engine cooling fan;modal analysis;vibration frequency;main vibration mode

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）02-0024-02

0? 引言

隨著科技的發(fā)展汽車(chē)在我們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，這也就要求著汽車(chē)必須具備更加優(yōu)秀的性能，其中冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣至關(guān)重要;但發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的斷裂問(wèn)題長(zhǎng)期困擾使用者和廠家，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家也對(duì)此做了大量的研究。1997年S.Moreau等[1，2]首次應(yīng)用流體力學(xué)展開(kāi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的研究，大大的縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間;1999年Roy.S等[3，4]應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)優(yōu)化后的七葉風(fēng)扇進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了有限元方法的有效性;2003年王學(xué)輝等[5]應(yīng)用CFD技術(shù)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬，證明了CFD技術(shù)有效改善風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì);本研究通過(guò)應(yīng)用限元分析軟件HyperMesh對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學(xué)分析和優(yōu)化等完成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的有限元分析提高風(fēng)扇的力學(xué)性能。

1? 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇有限元模型

在三維建模軟件Catia中完成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的建模，通過(guò)HyperMesh的專(zhuān)門(mén)接口導(dǎo)入模型文件，可以確保該模型不會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。模型坐標(biāo)系采用OXYZ直角動(dòng)坐標(biāo)系，在模型水平方向上，X軸平行水平地面指向前方，XOZ確保模型在平面內(nèi)左右對(duì)稱(chēng)，Y軸指向模型右方，Z軸通過(guò)風(fēng)扇主軸指向上方;圖1為冷卻風(fēng)扇的三維模型。

在HyperMesh軟件中導(dǎo)入冷卻風(fēng)扇的三維模型文件，應(yīng)用midsurface中面提取功能，提取模型的中面，因?yàn)閺能浖械玫降闹忻鎺缀钨|(zhì)量比較差存在著小孔、圓角、倒角等問(wèn)題，所以模型在進(jìn)行有限元分析之前，要先進(jìn)行幾何處理，以減小其他因素對(duì)分析結(jié)果的影響。幾何清理工作主要包括細(xì)小孔、圓角以及面與面之間倒角等部位的去除。在補(bǔ)孔前對(duì)模型提取面，再通過(guò)生成臨時(shí)節(jié)點(diǎn)來(lái)測(cè)量模型中小孔的半徑，以便進(jìn)行后續(xù)清理工作。前期處理是為了是模型網(wǎng)格的劃分更加順利的進(jìn)行，使模型能夠在更合理的區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，提高模型網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，奠定后續(xù)的分析計(jì)算;劃分網(wǎng)格首先采用軟件自動(dòng)網(wǎng)格生成工具進(jìn)行劃分，因四邊形殼網(wǎng)格單元的質(zhì)量最好所以以四邊形殼網(wǎng)格單元為主要的單元形態(tài)，三角形單元質(zhì)量較差，所以如果必須使用三角形時(shí)盡量使用較少的三角形單元，從而避免局部剛性過(guò)大的問(wèn)題。自動(dòng)網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行檢查，若有部分區(qū)域網(wǎng)格劃分效果不太理想，則手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以得到盡可能合理的有限元分析網(wǎng)格模型。如圖2所示。

2? 分析

2.1 靜力分析

完成模型導(dǎo)入和網(wǎng)格劃分之中的所有步驟后建立載荷步loadstep然后提交Optistruct，將run option欄改為analysis，最后點(diǎn)擊Optistruct得到如圖3靜力分析云圖。

然后進(jìn)行模型的優(yōu)化，在完成靜力分析的基礎(chǔ)上定義設(shè)計(jì)變量在analysis中打開(kāi)optimization，在topology模塊中定義變量;然后在responses中定義響應(yīng)變量在該模塊中分別定義質(zhì)量vol和位移dis，接著是在objective中定義目標(biāo)，在deonstraints中施加約束，最后提交將run0ption欄改為optimization，點(diǎn)擊optistruct得到如圖4優(yōu)化云圖。

2.2 模態(tài)分析

本次模態(tài)分析設(shè)置為六階模態(tài)，模態(tài)分析步驟與靜力分析相似首先定義好材料屬性然后定義和施加約束建立模態(tài)分析卡片最后建立載荷步提交得到分析云圖。模態(tài)分析結(jié)果云圖如圖5所示。

3? 結(jié)論

本文以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為研究對(duì)象，在HyperMesh中首先對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行前期的幾何處理、網(wǎng)格劃分、以及靜力學(xué)分析和模型優(yōu)化析最后通過(guò)模態(tài)分析對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行驗(yàn)證。在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的靜力學(xué)分析中，該模型大部分區(qū)域應(yīng)力和位移變化量符合設(shè)計(jì)要求;在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇優(yōu)化混的模態(tài)分析驗(yàn)證中，得到前6階的模態(tài)，結(jié)果顯示，比較穩(wěn)定不易產(chǎn)生共振。最后對(duì)該汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，鑒于該模型自身結(jié)構(gòu)前期的優(yōu)化效果已經(jīng)不錯(cuò)，可適當(dāng)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇分區(qū)域進(jìn)行尺寸優(yōu)化和輕量化，以節(jié)省材料，可為汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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