尤晓东 侯宁

摘 要：现如今，经济在快速的发展，时代在进步，我国的汽车发展迅速，为了避免发动机过热，燃烧室周围的零部件（缸套、缸盖、气门等）必须进行适当的冷却。汽车发动机冷却装置以防冻液冷却为主，用气缸通道内的循环防冻液冷却，把通道内受热的防冻液引入散热器（水箱），通过风冷却后再返回到通道内。散热器作为发动机相关零部件冷却的一个重要部件。本文以故障件外观、水检、解剖分析等分析手段为基础，把散热器故障点划分为四个故障形式，来说明散热器在出现故障时的原因，同时提出相关预防建议。

关键词：散热器；模态试验；动态应力；有限元分析

引言

为了避免发动机过热，燃烧室周围的零部件（缸套、缸盖、气门等）必须进行适当的冷却。汽车发动机冷却装置以防冻液冷却为主，用气缸通道内的循环防冻液冷却，把通道内受热的防冻液引入散热器（水箱），通过风冷却后再返回到通道内。散热器作为发动机相关零部件冷却的一个重要部件。本文以故障件外观、水检、解剖分析等分析手段为基础，把散热器故障点划分为四个故障形式，来说明散热器在出现故障时的原因，同时提出相关预防建议。

1汽车散热器产品介绍

最常见的汽车散热器的结构形式可分为直流型和横流型两类。散热器芯部的结构形式主要有管片式和管带式两大类。管片式散热器芯部是由许多细的冷却管和散热片构成，冷却管大多采用扁圆形截面，以减小空气阻力，增加传热面积。散热器芯部应具有足够的通流面积，让冷却液通过，同时也应具备足够的空气通流面积，让足量的空气通过以带走冷却液传给散热器的热量。同时还必须具有足够的散热面积，来完成冷却液、空气和散热片之间的热量交换。管带式散热器是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。与管片式散热器相比，管带式散热器在同样的条件下，散热面积可以增加12%左右，另外散热带上开有扰动气流的类似百叶窗的孔，以破坏流动空气在散热带表面上的附着层，提高散热能力。

2建立散热器有限元模型

散热器由主片、散热管、散热带、护板、水室及侧板等零件构成，其芯体高度为640mm，宽度为540mm，厚度为50mm。水室材料为尼龙，侧板材料为钢材，其他部件材料为铝合金。首先利用CATIA软件建立散热器三维模型，再将散热器三维模型导入到Hy-perMesh中，对散热器模型的圆角、倒角进行几何清理，考虑到计算精度和计算时间，对易发生破坏的散热管和主片连接部位进行网格细化，适当增加其他部位的网格尺寸。上、下水室形状复杂，用四面体单元进行网格划分，主片和护板结构相对简单且主片是主要分析对象之一，用六面体单元进行网格划分，散热管、散热带和侧板属于薄壁件，用壳单元进行网格划分。该散热器总成主要是由螺栓、钎焊和锁扣连接而成，采用梁单元和RBE2单元来模拟侧板与水室的螺栓连接，采用节点耦合的方法来模拟散热管与主片和散热带的钎焊连接，采用绑定接触来模拟水室与主片的锁扣连接。散热器实体模型如图1所示，散热器有限元模型如图2所示。有限元模型共有1405976个单元，1272557个节点。

3散热器有限元模型验证

为了验证散热器有限元模型的正确性，对散热器总成进行了模态测试。模态测试方法主要有“锤击法”和“激振器法”，前者的主要优点是操作简单，只需在某一测点布置加速度传感器，移动力锤即可，并且不影响试件本身的固有频率，主要缺点是能量集中在短时间内，容易引起过载或非线性问题，而且对于大试件需要多次敲击。后者的主要优点是可以采用多种激励信号，但在测点很多时需要多次地移动传感器，并且存在附加质量影响问题。针对汽车散热器这样一个由多种材料组成，并且散热带和散热管都属于薄壁构件的装配体而言，敲击过程很困难，而且很容易造成双击现象，综合考虑使用激振器激励模态实验法。响应点的数目和位置取决于期望的模态数、试件上关心的区域，同时响应点的均匀分布可以减少漏掉模态的机会。对于该型散热器而言，侧板的刚度远大于其他部件，为了能激发出侧板的局部模态，需要在侧板上均匀分布多个响应点。散热器自由模态测试采用LMS公司的振动模态测试设备，其模态测试系统组成如图3所示。试验前在Test.lab中创建散热器的试验模型以便查看振型结果，在散热器结构上标明与试验模型相对应的测点位置以便贴传感器。利用柔性绳吊挂散热器，在散热器水室表面某一个标注点布置一个力传感器并用激振器激励该标注点，加速度传感器测量测试点响应。采用PolyMax算法分析和处理测试数据，得到散热器结构振动传递特性曲线，如图4所示。

模态试验结果与有限元分析结果对比如表1所示。从表1中可以看出，模态试验与仿真计算的模态频率最大误差约为14%，平均误差在10%以内，说明所建立的有限元模型能够满足结构应力分析要求。

4散热器的动态应力分析

要分析引起散热器散热管疲劳裂纹的动态应力，需要有实车的散热器载荷谱。在没有散热器实际载荷谱的情况下，本文根据QC/T468-2010散热器试验标准中散热器振动性能试验要求来研究散热器的动态应力。试验要求如表2所示。

考虑冷却液质量的影响时，由于上、下水室结构形状比较复杂，在有限元模型中通过在上、下水室质心处分配质量为0.8kg的质量单元来模拟上、下水室中水的质量，散热管道内腔形状比较规则，将散热管的密度增加1.52×10-6kg/mm3来模拟散热管中水的质量。用约束散热器安装孔的三个旋转自由度和三个平动自由度来模拟散热器在车上的安装。找到冷却风扇的质心位置，并使用RBE2单元将其连接到冷却风扇四个支撑点，在冷却风扇质心处分配一个4.45kg的CONMS质量单元来模拟风扇。配重设置完成后，散热器总成的质量为10.79kg，满足散热器整体质量要求。阻尼是用来度量系統自身消耗振动能量能力的物理量。大多数系统都存在阻尼，因此动力学分析时应当指定阻尼。该散热器的动态应力分析通过TAB-DAMP卡片将随频率变化的模态阻尼添加到该系统中。X（左右）向、Y（前后）向、Z（垂直）向激励时散热器散热管的局部应力云图如图5所示。

5散热器的结构改进

对于框架结构的散热器，最大动态应力往往都出现在四角的散热管处，通过对故障散热器的结构分析发现，散热器的护板在拐角处与主片之间存在一定间隙，护板与主片的连接关系如图8所示。如果将散热器两个护板与主片完全焊接在一起，动态应力计算表明散热管最大应力值明显降低。由于护板与散热管的工作温度不同，因此两者的热膨胀是有差异的，当护板与主片焊接成一体后，在散热管中会产生附加的热应力，因此需要在护板两端各开一切口，将护板分为三段，护板两端切口。

结语

本文利用有限元分析方法对汽车散热器的动态应力进行了计算和分析，结果表明，理论计算的散热器散热管所受最大应力的位置与故障散热器的实际漏水点相吻合，故障散热器散热管漏水是散热器在使用过程中因振动产生的疲劳裂纹所致。通过对散热器原有结构的改进，使散热器散热管的最大应力下降了42%，提高了散热器的使用寿命。

参考文献

[1]王宏志，王吉，张克金，等.商用车散热器铜芯改铝芯的开发应用[J].汽车工艺与材料，2010（4）：41-43.

[2]张闻舞，王庆均，李建三.汽车用铝合金散热器穿孔泄漏原因分析[J].科技创新导报，2010（33）：62-63.

（作者单位：长城汽车股份有限公司技术中心）