某車型冷凝器支架開裂分析及其優化設計

武立勝 韋秀梅 何斌

摘? 要：本文針對路試故障件，分析了可能的原因，建立了冷凝器的有限元模型，利用Radioss軟件進行模態和強度分析。從而找出結構的應力集中區域，并對結構進行了改進設計，對最終優化模型進行強度分析，結果滿足設計目標要求，實際樣件也通過了耐久試驗，從而表明有限元分析方法的可行性，為工程設計提供了有力的工具。

關鍵詞：冷凝器支架;開裂分析;優化設計

中圖分類號：U463.61? ? 文獻標識碼：? ? ? 文章編號：1005-2550（2018）06-0110-06

The Cracking Analysis And Its Optimized Design of

A Vehicle Condenser

WU Li-sheng， WEI Xiu-mei， HE Bin

（ AnHui Jiang Huai Automobile Co.，Ltd ， Hefei 230022， China ）

Abstract： This paper analyzes the possible causes of failure parts when the road test. A finite element model of the condenser was established. Using Radioss software for modal and strength analysis. The stress concentration area of the structure was found out. The final optimization model satisfies goals of the stiffness and intensity. The sample has passed road durability test. Research shows that the finite element analysis is an effective method.

1? ? 引言

汽車冷凝器支架是將空調冷凝器固定在車架上的重要零部件，在設計初期一般通過計算機模擬仿真來預測結構的可靠性。汽車零部件的耐久性試驗表明，零部件疲勞失效基本上都發生在結構的應力集中部位，例如過渡圓角根部。本文根據強化路試故障件進行結構分析，找出應力集中位置，改進了一種冷凝器，從而延長了其疲勞壽命。

2? ? 冷凝器支架路試失效

2.1? ?失效模式

在定遠試驗場強化路試過程，發現安裝在車架右縱梁上的冷凝器支架兩處發生開裂，行駛里程在2754km發生開裂，更換新件后行駛2100km又發生開裂，開裂位置有兩處：1）支架Ⅲ與支撐鋼管焊接處下方;2）支架Ⅲ折彎處，如圖1和圖2所示：

2.2? ?失效原因初步分析

汽車強化路試中，冷凝器支架所受載荷比較復雜，常見以結構疲勞耐久失效為主[1]，發生斷裂主要原因可能有：1）焊接質量不良和焊縫強度不足導致;2）冷凝器支架總成強度不足，在極限載荷下，應力集中處發生疲勞導致;3）冷凝器支架總成模態設計不合理共振導致。檢查故障件開裂位置不在焊接處，排除了原因1可能。冷凝器支架總成冷凝器通過支架Ⅰ和支架Ⅲ將其固定在車架縱梁上，在強化路試中受到來自地面的Z向沖擊，初步分析是開裂處應力集中，導致局部高應力區可能使冷凝器支架總成發生疲勞破壞。后續分析將對其作進一步驗證說明。

3? ? 計算模型與分析

3.1? ?冷凝器支架有限元模型

現有的冷凝器支架如下圖3所示，冷凝器與支架Ⅰ、支架Ⅳ和支架Ⅴ通過三個螺栓連接，支持鋼管與圖示五個支架用焊接方式連接，支架Ⅰ和支架Ⅲ通過螺栓車架縱梁連接。

創建有限元模型時，截取車架縱梁部分數模，并約束其兩端截斷處的全部自由度。支架與支撐鋼管之間因是焊接，可用一維剛性連接單元RBE2處理，定義冷凝器支架與車架左縱梁固定處的接觸，冷凝器重4.35kg，在質心處用質量單元模擬，支架Ⅰ到支架Ⅴ五個件厚度均為3mm，支撐鋼管為2mm，最終有限元模型如圖2所示。車架縱梁材料為510L，其他件材料為Q235A，材料力學性能如表1所示：

表1 材料力學性能

對冷凝器支架總成進行有限元分析。考察三種工況：（1）制動：X向1g、Y向0g、Z向-1g;（2）轉向：X向0g、Y向1g、Z向-1g;（3）垂向沖擊：X向0g、Y向0g、Z向-3.5g。評價標準是所有材料應力小于材料的屈服極限。

3.2? ?模態計算及分析

支架Ⅰ和支架Ⅲ通過四個螺栓與車架縱梁連接，約束四個螺栓孔的全部自由度，定義一個約束模態工況，計算得前四階約束模態如下。

該車型發動機怠速轉速是750rpm，其怠速頻率為25Hz，與冷凝器支架并無重合頻率，開裂不是共振導致，因而冷凝器支架模態設計合理。

3.3? ?強度計算及分析

強度計算結果表明：制動和轉向工況滿足材料強度要求，垂向沖擊下最大應力為422.6MPa，不滿足目標要求，從圖12和圖13局部應力圖可看出應力最大處，正是在強化路發生疲勞開裂的區域，這表明利用靜態線性有限元分析確定疲勞裂紋發生區域是有效的。

4? ? 冷凝器支架結構優化設計

從強度分析結果看，應力最大在支架Ⅲ折彎處上方以及支架Ⅲ與支撐鋼管焊接處下方，改進措施為：1）通過增加鋼管來提高整個支架的強度;2）支架Ⅲ兩側增加翻邊;3）支架Ⅲ厚度增加到4mm。改進后的模型如下：

對改進后的結構再進行強度計算，三種工況下應力云圖如圖16-圖18所示，數值表3所示。

從應力云圖可看出，制動和轉向工況最大應力發生在支架Ⅲ折彎處;垂向沖擊工況最大應力

發生在增加的鋼管與支撐鋼管兩端焊接處。從表4可得知三種工況下的安全系數均大于1，滿足目標要求。同時將改進后的結構裝車繼續進行強化路試驗證，經過8000公里強化后，改進后的結構并未發生變形和開裂現象，滿足車輛試驗要求。

5? ? 結論

（1）本文針對強化路試驗過程中出現的故障件，分析了可能發生的原因。采用計算機模擬仿真技術，計算了冷凝器支架的前四階約束模態，并與發動機的怠速頻率對比，從而排除了固有頻率設計不合理導致開裂。

（2）創建了冷凝器有限元模型，約束模態分析結果滿足設計要求。又分三種工況計算了冷凝器支架的強度，結果發現支架Ⅲ的強度不足、支撐鋼管與支架Ⅲ焊接處下方應力大是導致支架開裂的主要因素。

（3）根據分析結果，重新對支架Ⅲ進行翻邊加強和厚度增加，同時增加一個鋼管加強整個冷凝器支架剛度。強度計算結果表明改進后的結構滿足材料強度，最后通過再次強化路試也驗證了改進后的結構設計合理，滿足要求。

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