汽車空調蒸發器芯進出水管結構強度分析

倪晉挺,王愛國,張錢斌

(安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖 241000)

汽車空調蒸發器芯進出水管結構強度分析

倪晉挺,王愛國,張錢斌

(安徽機電職業技術學院，安徽蕪湖 241000)

針對某一車型汽車空調蒸發器芯進水管在行駛2萬公里時蒸發器芯進水管根部出現斷裂現象，利用有限元分析軟件Hypermesh，建立蒸發器芯的CAD模型并進行有限元網格劃分，以ABAQUS為求解器，對蒸發器芯進出水管進行強度校核。分析結果與實際斷裂位置吻合，為蒸發器芯進出水管的前期設計提供一種方法。

蒸發器；進出水管；強度分析；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

蒸發器是汽車空調系統的一個主要部件，其作用是將從膨脹閥出來的低壓制冷劑蒸發而吸收車內空氣的熱量，從而達到車內降溫目的[1-2]。文中針對某款裝配SQR473發動機的車型在行駛2萬多公里時，蒸發器芯進水管根部經常出現的斷裂現象(如圖1所示)，運用有限元法展開分析。根據蒸發器芯的結構和安裝情況，初步判斷主要是X向推力對進水管起主要破壞作用。從破壞的進水管上發現，進水管X正向的移動位移大概3 mm左右。為查找問題的原因，運用大型有限元軟件Hypermesh和ABAQUS對蒸發器芯結構建模并進行強度分析，提出改進建議。

1 斷裂件載荷分析

斷裂件狀況分析：(1)從蒸發器安裝上得知，蒸發器在Y、Z兩個方向上固定不動，在X正方向(向后)也不動，在X負方向(向前)主要是靠固定在HVAC殼體上進出水管的管夾來阻止該方向的運動，其次殼體內固定點的摩擦力也能阻止蒸發器在X負方向的運動。由于蒸發器質量較小，慣性載荷的作用對其影響較小，可以排除慣性載荷的影響。管夾主要是防止蒸發器及進出水管X負方向(向前)的運動，如圖2(a)所示，所以當管子受到向前的載荷作用時該管夾能起到很好的支撐作用。而在管夾固定處，進出水管與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，說明該處沒有對進出水管在X正方向(向后)起到有效的支撐，如果受到該方向的載荷，管子根部應該是承受載荷比較大的部位。(2)從蒸發器上兩根管子的功能看，斷裂的都是進水管，進水的壓力要比出水的壓力大，進水的壓力方向是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負方向(向前)，且該方向有管夾的支撐，工況條件比進水管好。(3)從斷裂的進水管上可以看出：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生摩擦。(4)從進出水管與發動機的連接可以看出：在SQR473上與進水管連接的橡膠管直線連接，中間沒有緩沖，發動機運動產生的力直接傳遞到進水管上；而與出水管連接的橡膠管有一個折彎，且與其他橡膠管有連接，彎曲的軟管能對發動機產生的力和水的壓力有一定的緩沖，從而得知進水管的工況比出水管惡劣些。

2 蒸發器芯有限元建模與邊界條件確定

2.1 蒸發器芯有限元建模

采用CAD軟件CATIA對蒸發器芯結構進行建模，運用Hypermesh進行有限元網格劃分，并采用大型非線性計算軟件ABAQUS進行結構強度計算[3]。在蒸發器芯有限元建模過程中，因為文中旨在考查進出水管根部的斷裂破壞情況，只需對進出水管與HVAC殼體固定處進行詳細建模，蒸發器芯內部結構可適當簡化，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控制實體的網格劃分，最大單元尺寸10 mm。為了使進出水管及其安裝部位更好地貼合實際模型，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(屈服強度200 MPa)，料厚為1.5 mm。計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格進行材料屬性、邊界條件、接觸定義及分析步的設置，保存為inp格式文件。

在蒸發器芯有限元模型的3條邊線上(安裝進出水管的邊除外)各選取一排節點進行耦合，并約束X、Y、Z三個方向的平動自由度，將蒸發器芯看做固定平面。為考察發動機振動對進出水管的影響，需要對該模型進行約束模態分析，模態分析采用Lanczos特征值解法，因為SQR473發動機二階頻率在250 Hz以內，故求解階數設為4階[4]。根據進出水管的受力狀況，強度分析有兩種工況：工況1：進出水管受到推力時，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：進出水管受到拉力時，管夾起到支撐作用，模型中需定義管夾與管子的接觸關系，但管夾強度不考慮，如圖5所示。

3 計算結果與分析

3.1 約束模態分析結果

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

3.2 強度分析結果

強度分析工況1。從圖10可以看出：進出水管在X向沒有有效支撐的時候，根部是應力集中的部位，且進水管根部的應力值已經超過材料的屈服極限，強度已經不能滿足要求。

圖11中的灰色區域是管子X向位移大于1.5 mm的部分，在管夾位置X向位移沒有達到1.5 mm，說明進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。

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

表1 工況1 進出水管X向剛度

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

由表2得知，進水管在工況2下的受拉狀態剛度大于出水管，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 進出水管X向剛度

綜合模態及強度分析結果：(1)X向的推力對進出水管的影響最大，且需要的破壞載荷較小，可以判斷推力是進水管的主要破壞載荷。(2)進水管比出水管的剛度大且進水管在250Hz內的主振型少于出水管，但破壞的卻都是進水管，結合現場分析是因為進水管連接的橡膠管是直線連接，中間沒有緩沖，發動機運動產生的載荷直接傳到進水管上，而與出水管連接的橡膠管有一個折彎，彎曲的軟管對發動機產生的力和水的壓力產生一定的緩沖，從而使傳到出水管上的力小很多。4結論

通過以上分析得知：產生該問題的根本原因是蒸發器進水管的走向或在整車上無固定點，以致發動機的振動通過橡膠管直接傳遞到蒸發器進水管根部造成破壞。

改進建議：(1)改善進水管的支撐狀態，使管子在X向運動時起到有效的支撐，防止管子根部出現應力集中；(2)改善與進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.汽車空調換熱器特點及應用發展研究[J].制冷與空調，2005,12(6):1-4.

【2】 智晉寧，要志斌.基于Hypermesh的輕型貨車車架動態特性有限元分析[J].太原科技大學學報，2011,32(2):117-120.

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

【4】 高書娜，鄧兆祥.車身點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。