基于ANSYS的汽車散熱片有限分析及優化

張 潔

（貴州省機械電子產品質量監督檢驗院，貴州貴陽，550014）

基于ANSYS的汽車散熱片有限分析及優化

張 潔

（貴州省機械電子產品質量監督檢驗院，貴州貴陽，550014）

為了更好的提高汽車散熱片的使用壽命。結合汽車散熱片的結構利用SOLIDWORKS建立三維模型，基于ANSYS的基礎上分析散熱片的振動特性，找到散熱片的薄弱環節，從而提出改進方案。首先將三維模型轉化格式為通用格式（X-T）或（IGS），然后倒入到有限元ANSYS中進行網格劃分，定義邊界條件等前處理，分析散熱片的靜應力及模態振型變化。最后運用響應曲面優化分析方法（Response Surface）進行求解計算，依據分析結果進行結構改進，得到了最優的設計方案。

散熱片；有限元；靜應力；模態；優化設計

0 引言

汽車散熱片是汽車發電機的關鍵部件，散熱片的散熱效果直接影響了發電機的做工效率及使用壽命，而且散熱片有時汽車發電機必不可少的零部件之一，散熱片的作用使得發電機能夠持續的提供源源不斷的電力[1]。在實際發電機安裝過程中，在散熱片安裝位置處或者在散熱孔處會出現一些裂紋，這將嚴重的影響了散熱片的散熱效率，目前針對這種現象，很多企業都只是通過將散熱片加厚或者把尺寸加大來增加強度，但是這將會影響其他問題的產生，本文通過基于ANSYS有限元對散熱片進行靜應力及模態振型分析，最終實現散熱片尺寸的優化，在保證產品強度的同時，得到了最佳的設計方案。為散熱器的的設計提供參考。

1 汽車散熱片三維模型的建立

圖1 汽車散熱片三維模型

在有限元分析之前是需要進行汽車散熱片三維模型的繪畫。本文通過SOLIDWORKS根據實際尺寸繪畫得到了汽車散熱片三維模型，圖1為汽車散熱片三維模型圖。

在進行有限元仿真之前，需要將散熱片進行材料的定義，本文研究的散熱片材料參數如表1所示。

表1 散熱片材料定義

從圖1可知，在汽車發電機上的散熱片中有通孔，一些是用螺栓固定的孔，一些是一些部件固定的安裝孔。此外，在強度滿足散熱片要求的情況下，在散熱片中設置盡量多的散熱孔，有助于發電機散熱。

2 有限元模型的建立

2.1 網格質量的劃分

在有限元分析中首先進行需要進行網格劃分，將SOLIWORKS建立的三維模型轉化為中間格式導入ANSYS中進行模型的確認，由于散熱片的一般加工工藝是通過模具沖壓出來的是一個整體，所以在ANSYS中需要將模型凍結為一個整體，對模型影響不大的幾何特征可以忽略掉，如一些凸臺、倒角等，以便進行網格劃分[2]。然后就開始對散熱器進行網格劃分。在網格劃分時選擇系統自動劃分網格的形式，將網格定義為FINE，網格選用三角形網格，通過網格劃分，得到如圖2所示，最終劃分整個散熱片模型15217個單元格，27561個節點。

圖2 散熱片網格模型

圖3為網格質量與Aspect Ratio圖表的關系圖，從網格質量可以看出網格質量主要趨向于0.88，已經接近1，圖中的Aspect Ratio指的是三角形網格的長邊與短邊之比的開方數，從圖中得知Aspect Ratio為1.2，所以綜合網格質量與Aspect Ratio判定網格質量劃分良好。

圖3 網格質量與Aspect Ratio圖表

2.2 定義邊界條件

在設定邊界條件時，邊界條件與實際工況的條件的近似程度直接影響了有限元分析的精確程度，所以要真是的反映散熱片的應力應變情況，首先得依據實際工況來設定邊界條件，如圖1所示，散熱片的結構鋼為對稱結構，在實際散熱過程中主要的散熱面為散熱片與安裝面的接觸面，在散熱片左右兩邊的安裝孔為全自由度的安裝

散熱片整體結構雖然基本對稱，但是根據實際工況，在散熱片受壓過程中散熱片兩個承重面都與下工裝接觸，對兩個螺栓安裝孔底部端面進行全自由度約束。如圖4為散熱片的約束示意圖。

2.3 散熱片有限元分析

在經過散熱片約束定義后，可以得到如圖5，圖6所示的散熱片變形云圖及散熱片應力云圖

圖4 散熱片約束條件圖

圖5 散熱片變形云圖

圖6 散熱片應力云圖

從圖5以及圖6的云圖中可以看到，散熱片在變形最大處為散熱片的中部，主要的原因是由于散熱片在發電機內部會振動，產生振動激勵，而中間沒有完全定位，從圖6中可以看到應力主要集中在固定螺栓孔的周圍，最大應力值為46MPa，而出現工程易破損點的應力值為26MPa，主要集中在散熱片的兩端的端部。為了得到散熱片的各階振型，在這里引入模態模塊對散熱片進行模態分析。得到了如圖7的1-4階模態振型。

圖7 1-4階模態振型

在進行模態分析時設置了4階模態振型，因為在發電機運行過程中，并不會產生太高頻率的振動，試驗在這里我們設置了4階模態，從圖中可以得到散熱片的一階固有頻率為168.79HZ，單大過這個頻率就會發生如圖7（a）的振動變形，當大于191.17HZ時，就會發生如圖7（b）所示的振動變形，當在第三階時，振動頻率有所下降，為129.29HZ，在這個頻率范圍就會發生如圖7(c)，其中變形最大的為第四階。

2.4 散熱片的優化設計

圖8 散熱片的敏感性圖

圖9 散熱片響應曲面

在對散熱片進行優化設計，是建立在靜應力分析與模態分析的基礎之上的，通過靜應力及模態分析，發現散熱片在安裝過程中會出現一定的變形，這將會導致散熱片的散熱效果較低和嚴重降低散熱片的使用壽命。對此，將散熱片的變形量與靜應力做為目標，以力的大小以及網格的大小作為評判的條件，在此選用相應曲面的方法對散熱片進行優化設計[3-5]，得到了如圖8的散熱片的敏感性圖和圖9的散熱片響應曲面。從圖8中可以知道，總的變形量與力的大小成正比，與網格的大小成負相關，而平均應力與力的大小成正相關與網格的大小成負相關。圖9中可以得到，力越大，變形量也就越大，在力一定的情況下，網格大小與中變形量無關。

通過圖8和圖9可以知道，自由通過改變散熱片受力的大小，才能有效的減小散熱片的變形量，所以，我們可以通過改變但熱片的安裝方式，從而減小散熱片收到的應力，使得變形量能得到有效的改善。

3 總結

通過在三維軟件SOLIDWORKS中建立散熱片的三維模型，將其保存為中間格式導入ANSYS中進行靜應力及模態分析，得到了各階模態振型及應力的最大值。

利用有限元響應曲面的方法，將散熱器進行優化設計，通過散熱器的敏感性及響應曲面，得到了力與變形之間的關系，為散熱片的優化方案提供有效的參考。

[1]張寶玉，李萍，汪東明.發電機散熱片有限元分析與結構優化[J].機械研究與應用,2015,28(5)：29-31.

[2]李海峰,吳冀川,劉建波,等.有限元網格剖分與網格質量判定指標[J].中國機械工程,2012.23(3)：368-370.

[3]涂繼鵬,劉祖國,張大斌. 基于ANSYS的煙框提升機框架力學特性分析[J]. 貴州大學學報(自然科學版),2017,(02)：32-34.

[4]羅建欽,劉祖國,吳峰,張大斌,盧澤,余朝靜. 山地烤煙拔桿機刀具有限元分析及試驗[J]. 湖北工程學院學報,2016,(06)：102-105.

[5]劉祖國,張大斌,雷焱,余朝靜,盧澤. 基于ANSYS刮板靜應力及優化分析[J]. 湖北工程學院學報,2016,(06)：106-109.

Finite element analysis and optimization of automobile radiator based on ANSYS

Zhang Jie
(Guizhou Province, mechanical and electrical products quality supervision and Inspection Institute, Guiyang Guizhou, 550014)

In order to better improve the service life of automobile radiator. Combined with the structure of the automobile radiator, the three-dimensional model is established by using SOLIDWORKS. Based on the ANSYS, the vibration characteristics of the radiating fin are analyzed, and the weak links of the heat sink are found, so an improved scheme is put forward. The first will be transformed into a general format of 3D model format (X-T) or (IGS), and then pour into the finite element mesh in ANSYS, define the boundary conditions of pretreatment, static stress and modal shape change analysis of heat sink. Finally, the response surface optimization method (Response, Surface) is used to solve the problem, and the structure is improved according to the analysis result. The optimal design scheme is obtained.

heat sink; finite element; static stress; modal; optimal design