機(jī)載液冷流量分配管抗壓性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鮑睿 蔡香偉

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230088）

高集成化和小型化成為現(xiàn)代機(jī)載電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),導(dǎo)致機(jī)載電子設(shè)備的熱流密度越來(lái)越高,空氣循環(huán)冷卻系統(tǒng)已難以滿足航電系統(tǒng)的環(huán)境控制要求,液體冷卻系統(tǒng)憑借其較高的冷卻效率得到廣泛應(yīng)用[1-2]。然而,機(jī)載電子設(shè)備分布式的安裝形式,引入了多支路的液冷流量分配問(wèn)題,因此機(jī)載液冷流量分配管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。

機(jī)載電子設(shè)備重量要求嚴(yán)格,布局緊湊,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大[3]。機(jī)載液冷分配管的重量直接決定它能否滿足載機(jī)的裝機(jī)條件。為了實(shí)現(xiàn)液冷分配管輕量化設(shè)計(jì),功能和結(jié)構(gòu)一體化成為液冷分配管設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。有限的安裝空間,促使液冷分配管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊,為滿足其散熱性能,液冷分配管內(nèi)部需要承受較高的液壓,而其可靠性直接關(guān)系著使用安全。

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)液冷分配管的功能化設(shè)計(jì)做了大量研究,上述文獻(xiàn)對(duì)液冷流量分配方法、分配器流量均勻性和分配器的流阻等方面作了深入分析[4-7],但是沒(méi)有涉及到液冷分配管功能和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì),尤其在較高液壓分配時(shí),流量分配管抗壓性能設(shè)計(jì)。

通常在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,可以完成液冷分配管的截面形狀設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)其功能作用,但是在功能和結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)要求下,經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法單一,其效率已經(jīng)不能夠滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。本文在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,同時(shí)應(yīng)用HyperWorks OptiStruct 軟件對(duì)液冷分配管進(jìn)行有限元分析,參數(shù)化建模,在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,采用逐次逼近法,優(yōu)選液冷分配管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 幾何模型

液冷分配管主要由以下幾部分組成：分配管的管壁（包括左壁面、右壁面、上壁面、圓角面）、底板、筋板等。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液冷分配管的幾何模型

2 抗壓性能分析

對(duì)于機(jī)載電子產(chǎn)品,由于其可靠性設(shè)計(jì)要求高,需要對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和校核。本文基于有限元方法對(duì)功能結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的液冷分配管的抗壓性能進(jìn)行分析。

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)液冷分配管的具體結(jié)構(gòu)形式,建立有限元模型如圖2 所示。建模中進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,去除對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小的孔、圓角、小螺紋等結(jié)構(gòu)；去掉不必要的倒角；將螺釘連接簡(jiǎn)化為模型中結(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合等。液冷分配管結(jié)構(gòu)采用四面體單元進(jìn)行模擬,并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密,其中包含3395506 個(gè)四面體網(wǎng)格,671368 個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析模型的質(zhì)量與設(shè)計(jì)模型一致,初始質(zhì)量為2.537 千克。

圖2 液冷分配管的有限元模型

液冷分配管結(jié)構(gòu)采用鋁合金5A06 材料,具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

液冷分配管通過(guò)20 個(gè)松不脫螺釘與載機(jī)相連。在結(jié)構(gòu)抗壓性能仿真過(guò)程中,將底板安裝孔處設(shè)為固定約束；分配管抗壓性能設(shè)計(jì)要求為可以承受不超過(guò)1.5MPa 的壓力載荷,仿真計(jì)算時(shí),按照相應(yīng)的量級(jí)和數(shù)值施加載荷。

2.2 剛強(qiáng)度分析

液冷分配管在極限抗壓工況下,其變形云圖如圖3a 所示。在1.5MPa 氣壓載荷的作用下,最大變形出現(xiàn)在分配管的頂部,最大變形量為0.284mm。從圖3b 所示,極限打壓導(dǎo)致分配管的頂部和底板產(chǎn)生了較大的變形,由于底板中部受壓拱起,引起底板兩側(cè)翹曲。分配管的材料為鋁合金5A06,安全系數(shù)取1.5,許用應(yīng)力約為103.3MPa,大于許用應(yīng)力的區(qū)域如圖3c 所示,該區(qū)域主要分布在分配管的管壁和底板安裝孔處。最大vonMises 應(yīng)力出現(xiàn)在底板安裝孔邊緣處如圖3d 所示,大小為293.3MPa,由于分配管所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)超許用應(yīng)力,不滿足強(qiáng)度要求。

圖3 液冷分配管1.5MPa 抗壓時(shí)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

分配管服役過(guò)程中,作為功能承載一體化結(jié)構(gòu),受力情況復(fù)雜,變形嚴(yán)重,對(duì)分配管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化顯得尤為重要。從上述分析可知,在極限抗壓工況下,分配管的強(qiáng)度不滿足可靠性要求,由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定因素分別出現(xiàn)在分配管的上下管壁和安裝孔區(qū)域,因此分別考慮從材料方面和結(jié)構(gòu)方面對(duì)分配管進(jìn)行優(yōu)化。由于航天電子產(chǎn)品對(duì)輕量化的要求非常高,低密度、高強(qiáng)度的鋁合金材料是優(yōu)選材料。因此本文將著重從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝工藝方面出發(fā),降低分配管所受的應(yīng)力水平。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：

分配管結(jié)構(gòu)頂部和底板的不穩(wěn)定因素,主要是由于薄壁結(jié)構(gòu)翹曲變形引起,因此改進(jìn)的思路就是：（1）增加分配管管壁的厚度；（2）提升分配管的結(jié)構(gòu)整體性；（3）增加分配管底板的厚度。利用參數(shù)化建模思想,以液冷分配管結(jié)構(gòu)為優(yōu)化對(duì)象,以其所受應(yīng)力為優(yōu)化目標(biāo),并結(jié)合分配管的重量指標(biāo),優(yōu)選方案。

a. 液冷分配管側(cè)壁加強(qiáng)筋板筋板厚度不變；分配管底板厚度由3mm 增加到4mm；優(yōu)化分配管管壁厚度,其厚度增量分別為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm。在1.5MPa抗壓工況下,管壁厚度優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

從圖4 可知,隨著液冷分配管的管壁厚度增加,優(yōu)化后管壁所受的最大應(yīng)力顯著降低,當(dāng)管壁厚度增量為0.5mm 時(shí),管壁所受的最大應(yīng)力為101.3MPa,小于鋁合金5A06 材料許用應(yīng)力103.3MPa,優(yōu)化后分配管自重增加了12.4%；但是,分配管所受最大應(yīng)力出現(xiàn)在分配管底板中部安裝孔區(qū)域,其值遠(yuǎn)高于鋁合金5A06 材料的屈服強(qiáng)度。

圖4 管壁厚度變化對(duì)自重變化率、分配管及其管壁所受最大應(yīng)力的影響

b. 為了降低分配管所受最大應(yīng)力,優(yōu)化分配管底板厚度,其厚度增量分別為0mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm；并依據(jù)管壁厚度增量對(duì)管壁所受最大應(yīng)力的影響,管壁厚度增量取0.5mm；管側(cè)壁加強(qiáng)筋板厚度不變。在1.5MPa 抗壓工況下,底板厚度優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 底板厚度變化對(duì)自重變化率、分配管及其管壁所受最大應(yīng)力的影響

從圖5 可知,隨著液冷分配管的底板厚度增加,改進(jìn)后管壁所受的應(yīng)力水平幾乎不變；而分配管所受最大應(yīng)力略有下降,仍然大于鋁合金5A06 材料的屈服強(qiáng)度。

c.基于上述厚度優(yōu)化結(jié)果,可知增厚對(duì)降低分配管所受最大應(yīng)力的貢獻(xiàn)越來(lái)越小,這是因?yàn)閯傂园惭b約束導(dǎo)致了分配管最大應(yīng)力出現(xiàn)在底板中部安裝孔區(qū)域。因此,在不影響分配管功能和自重的前提下,選擇使用柔性螺套,降低安裝孔邊緣的應(yīng)力水平,進(jìn)而滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求。分析時(shí),分配管的筋板厚度不變,上壁面、左壁面、右壁面和底板面的厚度都增加0.5mm；保持安裝螺栓型號(hào)不變,將分配管安裝孔半徑分別取2.0mm、2.5mm、2.75mm、3.0mm；橡膠螺套的厚度,依次取0mm、0.5mm、0.75mm、1.0mm。在1.5MPa 抗壓工況下,安裝孔優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

圖6 安裝孔半徑變化對(duì)自重、分配管及螺套所受最大應(yīng)力的影響

從圖6 可知,使用柔性螺套可有效降低分配管安裝孔區(qū)域的應(yīng)力水平,小于鋁合金5A06 材料許用應(yīng)力103MPa；綜合考慮柔性螺套管材料6FX-2 聚四氟乙烯的壓縮強(qiáng)度（40～45MPa）,取安全系數(shù)為1.5,許用應(yīng)力最小約為26.7MPa,因此當(dāng)柔性螺套厚度為0.75mm 時(shí),分配管所受最大應(yīng)力為103.0MPa,螺套所受最大應(yīng)力為25.3MPa,都小于所用材料的許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)安全,并滿足分配管結(jié)構(gòu)使用可靠性要求。優(yōu)化后分配管結(jié)構(gòu)和柔性螺套所受應(yīng)力分布如圖7 所示。

4 結(jié)論

基于有限元方法,對(duì)某機(jī)載液冷流量分配管進(jìn)行了抗壓性能分析,得出該分配管的管壁和底板安裝孔區(qū)域所受應(yīng)力均不滿足相應(yīng)的強(qiáng)度要求。為滿足功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,通過(guò)參數(shù)化建模,采用逐次逼近法,對(duì)分配管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)多種方案進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)合考慮分配管自重變化,優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表明增加分配管的管壁厚度或底板厚度對(duì)液冷分配管所受最大應(yīng)力都有所改善,但是無(wú)法降低分配管所受最大應(yīng)力。因此,在不改變分配管功能的前提下,采取增大底板安裝孔孔徑,嵌用柔性螺套,優(yōu)化后顯著地降低了分配管所受最大應(yīng)力,滿足了分配管的抗壓性能設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)可靠性要求。綜合考慮分配管的抗壓性能、自重和結(jié)構(gòu)可靠性的情況下,優(yōu)化分配管的管壁厚度和安裝工藝,可有效降低分配管所受的最大應(yīng)力,滿足液冷流量分配管功能和結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)要求,為液冷分配管的抗壓性能設(shè)計(jì)提供理論參考。