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散热器管板钎焊焊趾振动应力的数值分析

2015/1/16    来源:ANSYS    作者:覃峰  郭丽华  夏立峰      
关键字:散热器  子模型  ANSYS Mechanical  
本文主要介绍的是基于子模型法,借助ANSYS Mechanical模块,对某散热器钎焊焊趾的振动应力进行分析。

1 前言

    主板、散热管钎焊焊趾是车用散热器的薄弱部位之一。由于特定的配合结构,该位置存在明显的应力集中现象;同时由于钎焊工艺造成的晶粒长大、局部溶蚀等现象,导致焊点周边材料强度显著降低;在承受温度交变、振动、冲击等多种载荷的作用下,出现疲劳失效的风险较大(图1)。非道路车辆用散热器的尺寸较大、工作条件恶劣,失效问题更为严重。因此,设计阶段须采取有效方法,对散热器的结构强度进行全面评估。然而,目前尚未发现钎焊焊点疲劳强度的计算标准或规范,相关研究报道也非常有限;只能通过大量试验,对特定产品的特定结构进行评估。振动试验是通常采用的可靠性评估方法之一;通过施加一定的加速度、模拟散热器在实车上的振动工况,可有效验证散热器承受振动、冲击载荷的能力、尽早暴露产品缺陷;与应变测试设备配合,可监控关键部位的振动应力。但振动试验周期长、运转和维护的成本高;且受制于应变测试设备的端口数量、应变片粘贴位置等因素,很难全面反映散热器整体的受力情况;而且可能因布点位置不合理导致关键位置的遗漏。FEA技术可弥补上述缺陷:通过虚拟试验的方法,对换热器在各振动工况下的受力情况进行全面、系统的分析,以降低试验成本、提高设计成功率。

 图1 主板、散热管钎焊焊趾断裂

图1 主板、散热管钎焊焊趾断裂

    本文以某型非道路车辆用散热器为对象,借助ANSYS Mechanical模块,对其钎焊焊点应力进行分析。散热器焊点周边的形状复杂、细微尺寸较多,如直接对焊点建立精确模型并划分网格,不仅使得前处理工作量大、计算时间长,而且网格质量无法得到保证。因此,将子模型法引入分析过程:首先对省略细节的整体模型进行建模和分析,获得焊点周边的变形;将其作为边界条件导入焊点细节的局部模型中,从而可比较精确地对焊点区域进行计算。

2 散热器整体模型的谐振分析

    竖流管带式散热器安装在冷却模块的右侧,结构如图2所示。铝钎焊芯体,铸铝水室,水室与主板间氩弧焊接。芯体厚115mm,采用4排、45列22x2mm散热管,管壁厚0.38mm。采用峰高7.5mm的波纹型散热带。上、下水室顶部各有一块安装板;借助该安装板上的螺栓和橡胶减振垫,散热器被压紧在结构钢框架的上、下横梁之间。

图2 散热器结构

图2 散热器结构

2.1模型、网格和边界条件

    对散热器整体进行建模。散热带区域等效为各向异性的块域,其材料物性通过另建单元模型获得。散热器实测湿重42kg;通过调整各零部件密度,将冷却液质量附加到水管和水室上。除散热带和安装板之外,其余实体材料均设置为铝合金;根据材料供应商提供数据,弹性模量设置为71Gpa。安装板设置为结构钢。采用ANSYS Workbench的Meshing模块划分网格。水管、等效散热带、侧板均采用六面体网格,其余部分采用四面体网格。等效翅片与散热管之间共节点。整个模型节点数1,407k,单元2,592k。完成网格划分的模型如图3所示。

图3 散热器整体模型的网格

图3 散热器整体模型的网格

    采用Bonded接触来连接各零部件。橡胶垫使用三个分别与坐标轴平行、且与地固接的弹簧单元来模拟;其中z向(竖直方向)弹簧的刚度采用橡胶垫在对应压缩量下轴向动刚度的实测值,x、y向弹簧的刚度均使用橡胶垫径向动刚度。根据以往经验,竖直方向的振动载荷对散热器可靠性的影响更为显著。结合该产品测试条件,加载z向20Hz、5m/s2加速度,在Mechanical模块中进行谐响应分析。

责任编辑:吴星星
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