重汽鋁散熱器散熱管開(kāi)裂失效原因分析

郭 便

（寶雞文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 寶雞721016）

0 引言

散熱器是汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，其性能的好壞直接影響汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果及其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，乃至正常工作和安全行駛［1］。目前在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋁散熱器的企業(yè)中，由于在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生散熱管開(kāi)裂漏水現(xiàn)象，產(chǎn)品的返修率偏高，給企業(yè)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。所以如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化已成為近年來(lái)對(duì)散熱器的研究重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)研究等方式對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。彭巧勵(lì)等對(duì)管帶式車用散熱器動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，并在MTS振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，有限元計(jì)算結(jié)果可靠［2］。袁聿震等對(duì)車用管帶式散熱器的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，并分析比對(duì)了改變主片約束、減震墊厚度、護(hù)板結(jié)構(gòu)及整體約束時(shí)，芯體應(yīng)力場(chǎng)分布及危險(xiǎn)位置的變化情況［3］。

采用ABAQUS有限元仿真軟件［4］，建立重汽鋁散熱器的有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬的方式研究重汽鋁散熱器工作過(guò)程中的應(yīng)力與應(yīng)變情況，找出了散熱器出現(xiàn)裂紋的位置和失效的原因，為重汽鋁散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 散熱器的結(jié)構(gòu)和安裝方式

散熱器主體是由鋼制的邊框和鋁合金的水室兩部分組成，中間散熱部分有多道縱向鋁水管和釬焊的散熱片組成，邊框通過(guò)螺栓在水室的四角與水室連接，如圖1所示。通常，散熱器分為豎裝和橫裝2種情況，圖1為豎裝方式，圖2為橫裝方式，不同的安裝方式，汽車行駛時(shí)，散熱器各部分受力不同，變形不同，可能出現(xiàn)的裂紋漏水的位置也不同。

圖1 豎裝方式下散熱器

圖2 橫裝方式下散熱器

2 有限元模型的建立

為了保證仿真過(guò)程順利進(jìn)行及提高計(jì)算效率，可對(duì)仿真模型適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化。散熱器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一般包括儲(chǔ)水室、主片、冷卻水管、散熱帶、支撐板和側(cè)片等。而散熱器容易出現(xiàn)裂紋的部位一般在散熱管與主板焊接處。因此，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，只分析散熱管與主板之間的受力變形情況。

2.1 幾何模型與材料模型

忽略非主要部件后按一定空間關(guān)系建立散熱器模型如圖3和圖4所示，根據(jù)散熱器實(shí)際尺寸主板的長(zhǎng)為664mm，寬90.2mm，由于主板主要用來(lái)固定散熱管的鋼架結(jié)構(gòu)，相對(duì)于散熱管其剛性和硬度都大很多，所以可以選用解析剛殼體。散熱管為一個(gè)鋁合金的薄壁扁圓管，其中倒圓角半徑為1 mm，管壁厚度為0.125mm，長(zhǎng)為728mm，兩主板間的距離為718mm，按空間關(guān)系裝配可得散熱器模型如圖3和圖4所示。

圖3 豎裝散熱器模型

圖4 橫裝散熱器模型

2.2 網(wǎng)格劃分及單元選取

單元類型的選擇既應(yīng)保證計(jì)算精度，還應(yīng)計(jì)算速度較快。由于主板為解析剛體，所以只需對(duì)散熱管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以選擇C3D8R殼單元類型，網(wǎng)格變長(zhǎng)為2mm，如圖5所示。按實(shí)際的散熱管數(shù)量進(jìn)行劃分則獲得150萬(wàn)的網(wǎng)格，計(jì)算量過(guò)大，考慮到大部分散熱管分析中受力和變形情況基本相同，可以適當(dāng)減少其數(shù)量，等距離選取散熱管則得381480網(wǎng)格，合理減少了網(wǎng)格數(shù)量。

圖5 散熱管網(wǎng)格劃分

2.3 約束加載

在汽車行駛過(guò)程中，散熱器主要受兩種激勵(lì)的影響，一是路面不平產(chǎn)生的上下振動(dòng)，二是發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)諧激勵(lì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)諧激勵(lì)相對(duì)與路面不平產(chǎn)生的上下振動(dòng)非常小，所以忽略發(fā)動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)諧激勵(lì)，將散熱器工作過(guò)程中的受力模型簡(jiǎn)化為固定的主板和散熱管承受隨機(jī)動(dòng)載的物理模型。由于主板和散熱管之間是焊接，不考慮接觸面上的摩擦和位移，相互接觸的表面采用綁定約束實(shí)現(xiàn)力和位移的傳遞。根據(jù)散熱器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，商用車散熱器振動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)施加一個(gè)幅值為3倍重力加速度，頻率為23Hz的正弦載荷［5］。在本模擬中，施加大小為4倍重力加速度的載荷來(lái)模擬路面激勵(lì)的極限情況。

3 仿真結(jié)果分析

圖6 橫裝散熱器應(yīng)力分布

3.1 橫裝仿真結(jié)果分析

橫裝散熱器應(yīng)力分布如圖6所示，橫裝散熱器應(yīng)力較大處位于主板與散熱管焊接處，由于車行駛時(shí)，當(dāng)車身隨路面上下波動(dòng)時(shí)，橫裝散熱器散熱管受管內(nèi)水和自身重力加載，此時(shí)，受力最大處位于主板與散熱管焊接處，但變形位移最大處卻位于散熱管中間部位，如圖7所示。散熱器隨車身上下波動(dòng)時(shí)，散熱管中間部位也上下波動(dòng)，主板與散熱管焊接處應(yīng)力會(huì)在波動(dòng)過(guò)程中不斷大小變化，焊接處雖然變形很小，但是長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力變化，必然會(huì)造成散熱管的疲勞破損。所以橫裝散熱器容易出現(xiàn)裂紋失效的部分在主板與散熱管的焊接處。

圖7 橫裝散熱器應(yīng)變分布

3.2 豎裝仿真結(jié)果分析

豎裝散熱器應(yīng)力分布如圖8所示，豎裝散熱器應(yīng)力較大處位于下主板與散熱管焊接處，由于車行駛時(shí)，當(dāng)車身隨路面上下波動(dòng)時(shí)，豎裝散熱器散熱管受管內(nèi)水和自身重力加載，此時(shí)，受力最大處位于下主板與散熱管焊接處，但變形位移最大處卻位于散熱管上面部分，如圖9所示。散熱器隨車身上下波動(dòng)時(shí)，散熱管整體也上下波動(dòng)，由于下主板與散熱管焊接處要承受整個(gè)管道的重力，雖然應(yīng)力和應(yīng)變比較小，但是長(zhǎng)時(shí)間的變化，必然會(huì)造成主板與散熱管焊接處開(kāi)裂或破裂的疲勞破損。所以豎裝散熱器容易出現(xiàn)裂紋失效的部分在下主板與散熱管的焊接處。

圖8 豎裝散熱器應(yīng)力分布

圖9 豎裝散熱器應(yīng)變分布

4 實(shí)際失效情況與改進(jìn)措施

散熱器根據(jù)車型或需要分為橫裝和豎裝兩種情況，不同的安裝方式產(chǎn)生的裂紋和漏水點(diǎn)不同，橫裝散熱器時(shí)，主板分為左右安裝，裂紋產(chǎn)生在散熱管與左右主板的焊接點(diǎn)附近，如圖10所示，其中小橢圓區(qū)域?yàn)榱鸭y漏水點(diǎn)，由于焊接技術(shù)或散熱器結(jié)構(gòu)的影響，并不是每個(gè)焊接點(diǎn)都出現(xiàn)裂紋，只是在個(gè)別或部分焊接點(diǎn)處出現(xiàn)，但一般分布在兩邊散熱管與主板的連接處。豎裝散熱器時(shí)，主板分為上下安裝，裂紋產(chǎn)生在散熱管與下主板的焊接點(diǎn)附近，如圖11所示，其中橢圓區(qū)域?yàn)榱鸭y漏水點(diǎn)，只是在個(gè)別或部分焊接點(diǎn)處出現(xiàn)裂紋漏水。無(wú)論是橫裝還是豎裝，與仿真結(jié)果基本吻合，說(shuō)明仿真結(jié)果正確可靠。

散熱管斷裂部位一般都是應(yīng)力比較集中，且斷裂是因疲勞損傷產(chǎn)生。散熱管隨汽車和路面上下振動(dòng)是造成應(yīng)力集中和散熱管斷裂的主要原因，焊縫質(zhì)量不一和材料的不均勻性是造成散熱管出現(xiàn)裂紋的次要原因。對(duì)于橫裝散熱管，可以通過(guò)給每個(gè)散熱管位移最大的中間部位增加固定拉筋，減小散熱管中間部分的位移，從而減少散熱管與主板焊接點(diǎn)的應(yīng)力集中和疲勞損傷；對(duì)于豎裝散熱管，可以在散熱管中間部分多加一個(gè)主板，承載上半部分散熱管和水隨車身上下振動(dòng)時(shí)的載荷，從而減小對(duì)散熱管與下主板焊接點(diǎn)受力和變形；同時(shí)還要提高焊縫質(zhì)量［6］。

圖10 橫裝散熱器裂紋產(chǎn)生點(diǎn)

圖11 豎裝散熱器裂紋產(chǎn)生點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)重汽鋁散熱器存在散熱管開(kāi)裂漏水的問(wèn)題，應(yīng)用ABAQUS仿真軟件建立了有限元仿真模型，對(duì)不同安裝方式的散熱器進(jìn)行了靜態(tài)仿真，得到了橫裝的散熱器容易出現(xiàn)裂紋的部位在主板與散熱管焊接處，豎裝散熱器容易出現(xiàn)裂紋的部位在下主板與散熱管的焊接處，并與實(shí)際失效情況進(jìn)行了比較，失效部位基本吻合，說(shuō)明仿真模型正確，并以此提出了改進(jìn)措施，為散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。

［1］ 寧寶煥.機(jī)車散熱器的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.大連：大連交通大學(xué)，2010.

［2］ 彭巧勵(lì)，鄭聯(lián)珠，王登峰.車用散熱器結(jié)構(gòu)動(dòng)強(qiáng)度的有限元分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2001，32（6）：22-25.

［3］ 袁聿震，吳國(guó)榮，李世偉.車用散熱器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度靜力學(xué)分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2011（6）：24－27.

［4］ 石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［5］ QC／T 468-2010，中華人民共和國(guó)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］ 高飛，胡琴珠，涂勇.鋁合金板翅式散熱器釬焊結(jié)構(gòu)疲勞失效分析及改進(jìn).熱加工工藝［J］，2011，40（15）：167-169.