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基于NASTRAN的散热器冷却液渗漏问题复现与优化
2020-06-29 23:48:51· 来源：汽车热管理之家 作者：胡海欧 陈韬 一汽轿车股份有限公司
摘要：为解决某车型散热器冷却液渗漏问题，基于有限元静力分析基础理论，运用Nastran软件对散热器开裂渗漏区域进行问题复现，确定满足虚拟仿真分析中的高应力部
摘要：为解决某车型散热器冷却液渗漏问题，基于有限元静力分析基础理论，运用Nastran软件对散热器开裂渗漏区域进行问题复现，确定满足虚拟仿真分析中的高应力部位与实车散热器渗漏 域一致性条件的最佳工况方案。借助于该工况方案，对不同优化方案进行强度仿真分析，寻找可行的优化方案，针对虚拟验证无渗漏的优化方案进行试制试验，样车强化坏路耐久路试后散热器冷却液无渗漏问题，仿真分析与试验吻合度高，从而验证了仿真分析与优化设计的可行性。
1 前言
在现代汽车工业中，国内外各大整车制造企业越来越重视由于强度不够而导致汽车零部件破坏的问题，几乎每种新开发车型都需要考察其强度性能。按照传统的方法，汽车企业对于新车型强度性能的评估都是利用实车在台架或各道路试车场进行测试，该方式虽然是最直接且最准确的，但测试时间十分冗长且耗费人力与物力，即使发现了问题，再去优化设计，势必会延长车型的开发周期，增加经济成本，从而削弱产品在市场上的竞争力。
针对上述问题，运用基于有限元理论的数值分析方法即可在物理样车试制前对产品的强度性能进行评价，减少设计风险数量；也可对路试测试过程中出现的开裂问题进行再现，以便定位故障原因，选择最佳优化方案，快速规避开裂风险，从而缩短产品开发周期，提高市场竞争力。Nastran以其强大的线性模拟仿真技术广泛应用于汽车行业结构强度CAE分析中。经过40多年的发展，Nastran已是虚拟产品开发环境中最主要的核心产品，为用户提供功能全面、多学科集成的虚拟产品解决方案，成为在各个领域用户群最多、应用最为广泛的有限元分析软件。
2 Nastran静力分析基础理论
Nastran求解器支持多学科及其高性能分析，包括静力、动力学、热力学、屈曲、振动、灵敏度分析及优化设计等，调用Nastran进行静力计算，前后处理运用HyperWorks相关模块。Nastran静力分析基础理论可以概括为以下几点。
a.离散化。连续体离散化是有限元分析的前提和基础，所谓离散化，则是将求解对象划分为有限的微小单元，这些单元通过节点相互连接，同时，载荷在相邻单元间相互传递。
b.位移函数。在计算中，求解对象的位移、应力、应变通过节点位移来描述，通常假设单元位移是坐标的某种函数，位移函数如下。
式中，
为单元中任何一点的位移矩阵；[C]为形函数矩阵
为节点位移矩阵。
为单元中任何一点的位移矩阵；[C]为形函数矩阵为节点位移矩阵。c.有限元单元力学特性。根据几何方程，由公式1可以导出应变和节点位移关系函数如下。
式中，
为单元应变矩阵；[C′]为形函数矩阵。
为单元应变矩阵；[C′]为形函数矩阵。根据物理方式，由公式2得出节点位移和单元应力的关系函数如下。
式中，
为单元应力矩阵；[M]为材料弹性矩阵。
为单元应力矩阵；[M]为材料弹性矩阵。由虚功原理可以建立平衡方程，见公式4。
式中，
为单元刚度矩阵；[F]e为载荷刚度矩阵。
为单元刚度矩阵；[F]e为载荷刚度矩阵。d.计算节点载荷。在弹性体结构被离散后，假定各向载荷通过节点从一个单元传递到与其相邻的单元。但对于连续体，各向载荷是从单元的公共边界传递到相邻单元，于是可以根据虚功等效原理[1]，将作用在单元上的各向载荷等效移植到节点上[2]，从而快速完成节点载荷计算。
e.建立结构平衡方程。力学特性方程建立后，可以导出总刚度矩阵和总载荷矩阵，同时运用引入单元节点自由度的转换矩阵[]
Tr，如下。
将公式5代入至4中，两边同时乘以[Tr]T，可以得出如下公式。
由虚功原理及其最小势能原理可以导出结构的平衡方程如下。
其中结构的总刚度矩阵
；总载荷矩阵
为整体节点位移矩阵。
；总载荷矩阵为整体节点位移矩阵。f.方程求解。通过调用Nastran求解上述结构平衡方程，得到有限元模型中各个节点在整车坐标系下各个方向的位移，调用该些节点位移可以求解其对应单元的应力和应变，最后对计算结果文件用HyperView进行后处理。
3 散热器冷却液渗漏问题复现
3.1 冷却液渗漏问题
某车型散热器由进水室、出水室及散热器芯部等三部分构成，如图1所示，散热器芯部由散热管和散热器翅片组成，散热管为扁管结构，且与散热器翅片焊接在一起。采用塑制散热器水室和铝制芯子，减轻使散热器质量。同时，使用4个橡胶安装支架，起到减缓振动作用。该车型两台试验车分别行驶1.47、1.68万公里强化坏路时，发现图1圆圈区域出现冷却液渗出现象。
3.2 问题原因分析
散热器漏液情况并不严重，采用宏观的观察手段并没有找到漏点，怀疑导致漏水的裂纹较小，不易观察，因此决定对样品进行CT扫描。扫描从最容易产生裂纹的散热器边缘开始，共扫描了如图2所示的9根扁管。
针对上述9根扁管的CT扫描结果进行仔细分析，其中4、5、6号扁管存在疲劳裂纹，如图3所示。
通过图3所示结果可知，从边缘向内的3根扁管均存在裂纹，裂纹位置都位于扁管和主片钎焊连接处，且在连接处的前部和后部、上方和下方均有分布。
3.3 问题复现
运用有限元分析方法，对开裂原因进行分析，对开裂区域进行问题复现。寻求恰当的工况设计方案，找到吻合实车开裂处的高应力区域，是CAE问题再现的直接目标，也是优化设计的前提。
图1 散热器构成与冷却液渗漏区域
图2 散热器渗漏区域切割样品
图3 开裂扁管CT扫描结果
鉴于该散热器供应商在已涵盖脉冲、冷热冲击等因素的台架试验中未出现开裂渗漏问题，则开裂因素主要是由于车辆在强化坏路行驶过程中振动引起的疲劳损伤累计，但由于散热器接附点实际载荷谱采集难度大且项目要求的优化时间短等原因，采用基于载荷谱的疲劳分析的方案可行性小，采用极限工况下的加速度法进行静力学分析，找到开裂的趋势，各个方向的加速度设置见表1。另外，该散热器开裂渗漏区域为非密封区域，且优化时间要求短，该分析仅考虑线性分析，不涵盖橡胶密封件的建模。极限工况加速度法实施难度小，问题复现时间短。其有限元模型与工况设计见表1，但由于载荷大小为公司产品开发机密，这里仅以字母代替。并将散热器总成质量进行分配，该模型质量合计为26.5 kg，其中包括风扇、前副散热器、冷凝器（冷凝器与散热器存在连接，二者相关作用力转化成质量点，如图4所示）。
表1 工况设计加速度设置
从如图5分析结果来看，散热器高应力主要出现在垂向跳与转弯工况，该两种工况对疲劳损伤的累计最大，CAE分析结果的高应力区域与实车开裂位置吻合。
图4 工况设计
图5 问题复现CAE分析
针对上述高应力区域进行分析，导致该区域应力较高的原因为冷凝器与散热器接附点相互作用的结果。
4 优化方案设计
通过问题复现的CAE分析，优化的目标为降低冷凝器与散热器接附区域的应力。由于冷凝器与散热器之间的相互作用力无法降低，采用改变载荷传递路径的方法以弱化开裂区域应力，如图6所示，强化冷凝器支架外侧加强筋的同时取消内侧加强筋。
图6 优化设计
确定优化方案后，更新有限元模型，并取垂向跳与弯道行驶工况来进行CAE分析验证，计算结果如图7、图8所示。
将原方案与新方案的应力值进行对比，对冷凝器支架区域的加强筋进行优化后，开裂区域应力值减小至原方案的21.6%，抗破坏性能提高78.4%，优化效果明显。考虑到该车型在1.5万公里左右才失效，已完成强化耐久目标2万公里的75%，根据多款车型在该强化坏路上的优化经验，疲劳损伤基本与应力值成线性关系，预估该方案可以完成2.676万公里，该优化方案可以完成强化耐久路面2万公里的目标。
5 路试验证
图7 垂向跳应力云图结果对比
图8 弯道行驶应力云图结果对比
确定最终优化方案后，对该车型散热器进行部件变更，将最终的优化方案在车型上进行体现，该车在行驶26156公里强化坏路后，散热器未出现渗漏，阶段性实车验证与CAE分析结果一致，后期将对原开裂区域进行持续跟踪，考察该车在行驶3万公里后的是否开裂渗漏，以便验证CAE优化方案。
6 结束语
汽车部件开裂失效是疲劳破坏的常见形式，在工程设计阶段运用有限元分析方法对开发车型进行强度分析，于试制样车前发掘潜在风险并结合工艺可行性提前优化设计，消除风险。在后期路试试验过程中，如果出现某些部件开裂问题，也可以运用有限元分析方法，对开裂区域进行问题再现，确定符合实车开裂情况的CAE分析工况，然后选择最佳的优化方案，从而大幅度缩短样件试制-路试试验的循环周期，节约开发成本。
Nastran以其强大的线性模拟仿真技术广泛应用于汽车行业CAE结构分析中，运用Nastran求解器可以快速地对进行强度分析。从散热器开裂渗漏问题的收集、原因寻找、CAE分析工况设计、目标值确定到最终优化方案的选取，形成了一套清晰可行的技术分析流程，并对比后续样车路试结果，仿真分析与实车试验吻合度高，从而验证了仿真分析与优化设计的可行性，为后续部件开裂分析及其优化设计提供了技术积累。
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