汽車膨脹箱有限元分析研究*

楊澤平，何　鋒，余國寬，李惠林

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

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汽車膨脹箱有限元分析研究*

楊澤平，何鋒，余國寬，李惠林

(貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：為提高某車型汽車膨脹箱可靠性，利用有限元分析方法，對膨脹箱進行靜態結構和隨機振動分析，求解膨脹箱在靜載荷和動載荷下的受力情況。根據受力情況，為優化設計提供參考。

關鍵詞:汽車膨脹箱有限元分析靜態結構隨機振動應力優化設計

0引言

汽車膨脹箱(以下簡稱膨脹箱)是盛放汽車發動機冷卻液的容器，膨脹箱通過支架和支座固定在汽車發動機艙內，工作條件惡劣，并且在汽車行駛過程中受到來自路面顛簸的振動激勵，同時膨脹箱內液體晃動沖擊內壁。膨脹箱由于長時間處于惡劣的工作環境中，容易導致支架斷裂，箱體開裂等問題。為了得到某車型膨脹箱在靜載荷和動載荷下的受力情況，利用ANSYS軟件對膨脹箱進行有限元分析。

車輛工作條件多樣，各零部件承載工況復雜，各種載荷作用下對結構的性能要求也不相同[1]。貴州大學馮春亮[2]曾利用有限元方法，對汽車發動機艙內的腔體零件擋風玻璃洗滌液噴水壺進行了模態分析與頻響分析，得到噴水壺的固有振動特性和穩態振動激勵下的響應。然而，膨脹箱工作時主要是受到來自路面的隨機振動激勵，由于隨機振動時振動的幅值和相位是不規則的[3]，所以本文利用有限元分析方法，對膨脹箱靜態結構和隨機振動進行研究。

利用ANSYS軟件，首先分析靜態結構的受力情況。然后進行模態分析，求解膨脹箱固有振動特性，進行隨機振動分析，得出在給定功率譜位移下，膨脹箱的受力情況。最后分析計算結果，為膨脹箱優化設計提供參考。

1有限元模型建立

1.1建立模型

膨脹箱由箱體、支座和冷卻液進、出管構成。該車型膨脹箱由上、下箱體組成，上箱體上有冷卻液進管和排氣管，下箱體上有左、右支架、下支撐座、冷卻液出管和防堵座塞。膨脹箱總高為161.5 mm，箱體外徑為158.6 mm，內徑為150.6 mm，箱體容積為1.79 L。為保證膨脹箱的連續性[4]，在對膨脹箱進行建模前，需要對不影響結構特性的孔、槽等特征進行簡化。

1.2劃分網格

分析采用四面體方法劃分模型網格，嚴格控制關聯度、跨度中心角與網格尺寸等參數。膨脹箱網格模型如圖1所示，其中節點總數為801 645個，單元數為480 577個。

1.3添加約束、載荷與材料屬性

對膨脹箱三個安裝位置施加Fixed Support方式的約束，限制其6個方向的自由度。

膨脹箱受力由膨脹箱自身重力和冷卻液對膨脹箱內壁的壓力和沖擊力組成。首先對膨脹箱施加標準地球重力加速度慣性載荷；然后采取靜水壓力法，對膨脹箱內壁施加力載荷，假設冷卻液為水，選取膨脹箱內頂面作為液體自由面。膨脹箱有限元模型如圖2所示。

膨脹箱體材料是PP5，材料特性如表1所示。

表1

材料特性

2有限元分析

2.1靜態結構分析

圖3　膨脹箱等效應力云圖

計算膨脹箱所受等效應力，膨脹箱等效壓力云圖如圖3所示。最大應力存在于左、右支架與箱體交界加強筋的倒角處，最大等效應力為1.099 8 MPa。表明汽車靜止，膨脹箱裝滿冷卻液時，膨脹箱的支架和支座與箱體交界處所受應力最大。

2.2模態分析

模態分析是研究結構固有振動特性的方法[5]。對膨脹箱進行模態分析，求解膨脹箱1到6階模態，得到各階模態主振型固有頻率如表2所示。膨脹箱在1階模態時，其固有頻率為241.89 Hz，并且隨著模態階數增大，其固有頻率逐漸增大。汽車行駛時，主要受到因路面不平引起的汽車振動，頻率范圍約為0.5 Hz～25 Hz[6]。膨脹箱固有頻率遠大于汽車行駛時的振動頻率，不會發生共振。

表2

各階模態主振型固有頻率

2.3隨機振動分析

提取模態分析的結果作為隨機振動分析的輸入變量，分析車輛以60 km/h的速度在B級路面上行駛時的隨機響應。根據國家標準GB/T7031-2005[7]得到空間頻率位移功率譜密度值，取空間頻率位移功率譜密度幾何平均值進行計算。根據經驗，路面譜經過懸架過濾到懸置點后按原譜值的30%來計算[8]。通過換算，將空間頻率位移功率譜密度值轉換為時間頻率位移功率譜密度，隨機載荷如表3所示。

表3

隨機載荷

膨脹箱隨機振動等效應力云圖如圖4所示。最大應力存在于冷卻液出管與箱體交界的肋板處，應力值為3.110 7 MPa。膨脹箱隨機振動變形云圖如圖5所示，最大變形出現在冷卻液出管末端，由于冷卻液出管屬于懸置部位，變形隨著位置與約束之間的距離增大而增大。冷卻液出管末端變形使膨脹箱內部產生應力，在冷卻液出管與箱體交界的肋板處產生應力集中現象。

3結論

通過對膨脹箱進行有限元分析，得到了膨脹箱在靜載荷和動載荷下的受力情況。根據受力情況，建議在設計時適當增加左、右支架與箱體交界處的肋板尺寸和倒角半徑。將下支撐座位置向出水口末端移動，減小懸置部位的懸置尺寸，緩解應力集中現象。

參考文獻

[1]譚繼棉.汽車有限元法[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]何鋒,馮春亮.汽車擋風玻璃洗滌液噴水壺模態與頻響分析[J].汽車零部件,2013(11)54-56.

[3]吳德壁.隨機振動加速度值及其功率譜密度的計量研究[J].計量技術,1985(12)4-7.

[4]曾攀.有限元分析及應用[M].北京:清華大學出版社,2004:3.

[5]傅志方,華宏星.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社,2000:10-18.

[6]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2009:3.

[7]國家標準化管理委員會. 機械振動道路路面譜測量數據報告:GB/T 7031-2005[S].北京：中國標準出版社，2006.

[8]郭貴平,李守成,張洪生.某特種車駕駛室骨架結構的靜動態分析[J].機械工程與自動化, 2015(4)88-89.

Finite element analysis of an automotive expansion tank

YANG Zeping, HE Feng, YU Guokuan，Li Huilin

Abstract:In order to improve the reliability of an automotive expansion tank, we analyzed the static structure and random vibration of the expansion tank using finite element method, found out the stress distribution of the expansion tank under static load and dynamic load, and provided reference for the optimization of the design of the expansion tank.

Keywords:automotive expansion tank; finite element analysis; static structure; random vibration; stress; optimization

收稿日期：2015-9-09

作者簡介：楊澤平(1989-)，男，山東德州人，碩士，機械制造及其自動化專業，從事汽車零部件設計研究。

基金項目：貴州省科技攻關項目，黔科合GZ字[2013] 3003。

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0013-03