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某车用空调机组的模态及谐响应分析

2020/4/28    来源:Altair论文集    作者:张克鹏      
关键字:汽车  HyperWorks  空调机组  模态  谐响应  
利用HyperWorks大型商用仿真平台建立某汽车用空调机组有限元模型,首先对其进行模态分析,得到机组的固有频率、阵型及云图;然后按照车用空调标准的振动试验要求对该机组进行了谐响应分析,通过分析考察机组受力情况,验证设计方案的合理性。
1 概述
 
       商用新能源汽车空调机组是保证车内乘员舒适性以及车辆行驶热平衡的重要系统,一方面作为车辆的空调动力源头,为汽车乘员舱提供制冷功能,另外,新能源汽车的电池冷却,也需要空调冷媒来做强制冷却。因此,新能源车用空调机组的可靠性就显得尤为重要。整个空调机组与车辆固定在一起,机组会受到车辆行驶过程中的各种激励载荷,国标GB/T 21361-2008对汽车用空调器振动试验的要求作了明确规定。
 
       文中利用HyperWorks建立整个空调机组的有限元模型,然后进行系统的模态和谐响应分析;根据模态分析结果判定空调机组固有频率是否与载荷频率产生共振,导致共振破坏,根据国标中工况要求的谐响应分析结果,判断工况频率激励下设计方案的可靠性和合理性。
 
2 车用空调机组的有限元模型建立
 
       几何模型是建立CAE有限元模型的基础,在CATIA中建立如图1所示的几何模型,其分布质量与实际一致。所建立的模型简化了实际机组的某些细节特征,以提高有限元前后处理和求解效率。简化原则是在保证原有结构力学性能不发生改变的前提下,对非关键区域的特征及试算而获得分析对象的整体应力场分布中应力水平较低的部件,可以予以忽略。为便于有限元前处理,将模型导出为.stp格式。

某车用空调机组

图1 某车用空调机组
 
       针对空调机组,文章采用HyperWorks平台前处理模块HyperMesh进行网格划分。在进行网格划分时,根据部件的几何特征,钣金结构、管路使用壳单元,非考核部件风扇、压缩机等用壳单元+附加质量模拟,使其质量与重心位置与实际相同。单元类型为CTRIA3和CQUAD4,单元基本尺寸设为10mm;螺母位置用washer建模,螺栓用CBEAM替代并用RBE2链接起来。最终有限元模型共有节点数64099,单元数67500,车用空调机组有限元模型如图2所示,内部局部细节图如图3所示。

车用空调机组有限元模型

图2 车用空调机组有限元模型

车用空调机组内部局部有限元模型

图3 车用空调机组内部局部有限元模型
 
       车用空调机组有限元模型建立后,需要给模型设定材料属性参数,参照图1,其中钣金框架、安装脚、内部管路等金属件的材料为碳钢Q235B,风扇的材料为ABS塑料,计算中用到的材料属性如表1所示。
 
表1 车用空调机组材料属性

车用空调机组材料属性

 
3 车用空调机组的模态分析
 
       模态分析用于确定结构的固有频率和振型,固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的重要参数。模态分析也是响应谱分析和模态叠加法谐响应分析必需的前期分析过程。模态分析是研究结构动力特性的一种方法,是系统辨别方法在工程振动领域中的应用,是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。本次分析采用HyperWorks平台的OptiStruct求解器及分块Lanczos方法进行求解。
 
       车用空调机组两侧有安装脚与框架相连,每侧安装脚各有2个螺栓孔。如图4红色虚线框所示,约束螺栓孔处节点的1~6自由度。

车用空调机组的安装脚约束示意图

图4 车用空调机组的安装脚约束示意图
 
       GBT 21361-2008汽车用空调器振动试验方法中规定振动试验频率为33Hz。设定提取模态数0~10阶,提交OptiStruct求解器进行求解,得到模态频率值如表2所示,图5为车用空调机组前四阶模态振型图。
 
表2 车用空调机组的固有频率

车用空调机组的固有频率

车用空调机组前四阶振型云图
车用空调机组前四阶振型云图
图5 车用空调机组前四阶振型云图
 
       车用空调机组通过安装脚与振动试验台相连,从模态分析结果来看,第8阶模态频率和GBT 21361-2008汽车用空调器振动测试方法中规定的试验频率33Hz一致,有可能发生共振现象。
 
4 车用空调机组的谐响应分析 
 
       谐响应是结构在周期载荷作用下产生的周期响应。谐响应分析能够预测结构的持续动力特性,验证结构设计是否能克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析计算结构在不同频率下的响应,可以观察到峰值响应频率对应的应力。谐响应分析是线性分析技术,任何非线性特性将被忽略。本次分析采用OptiStruct求解器及模态叠加法进行求解。
 
       4.1 载荷边界条件
 
       按GBT 21361-2008汽车用空调器振动测试方法的规定,表3给出了33Hz时车用空调机组的载荷及加载方向。
 
表3 车用空调机组载荷及加载方向

车用空调机组载荷及加载方向

 
       4.2 谐响应分析 
 
       通过车用空调机组的模态分析,对其施加加速度激励载荷和载荷步(包括谐响应分析的频率、载荷子步数)后进行谐响应分析。
 
       图6~8为车用空调机组在激励频率33Hz时三种工况下的应力云图。

33Hz横向X工况应力云图

图6 33Hz横向X工况应力云图(应力/MPa)

33Hz垂向Y工况应力云图

图7 33Hz垂向Y工况应力云图(应力/MPa)

33Hz纵向Z工况应力云图

图8 33Hz纵向Z工况应力云图(应力/MPa)
 
       从计算分析结果来看,X向载荷工况下,其最大应力为35.33Mpa,最大应力出现在空调机组箱体钣金框架上;Y向载荷工况下,其最大应力为64.41Mpa,最大应力出现在空调机组内部件板换上;Z向载荷工况下,其最大应力为288.9Mpa,最大应力出现在空调机组底板与压缩机支架连接附近,最大应力超过材料屈服强度,有破坏风险,需要在该位置进行结构加强设计。 
 
5 结论
 
       文章以某车用空调机组为研究对象,运用三维设计软件CATIA建立了机组几何模型,利用HyperWorks商用仿真平台的HyperMesh前处理模块建立了有限元模型,在此基础上,用OptiStruct求解器进行了模态分析和谐响应分析。分析表明,机组存在与测试频率33Hz接近的模态频率,在Z向加速度激励载荷下,机组最大应力超过材料屈服强度,机组强度不满足设计要求。后期还需进行优化设计,避开共振区域,加强设计薄弱区域,满足振动测试强度要求。
责任编辑:程玥
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