張 潔

（貴州省機(jī)械電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，貴州貴陽(yáng)，550014）

基于ANSYS的汽車散熱片有限分析及優(yōu)化

張 潔

（貴州省機(jī)械電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，貴州貴陽(yáng)，550014）

為了更好的提高汽車散熱片的使用壽命。結(jié)合汽車散熱片的結(jié)構(gòu)利用SOLIDWORKS建立三維模型，基于ANSYS的基礎(chǔ)上分析散熱片的振動(dòng)特性，找到散熱片的薄弱環(huán)節(jié)，從而提出改進(jìn)方案。首先將三維模型轉(zhuǎn)化格式為通用格式（X-T）或（IGS），然后倒入到有限元ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義邊界條件等前處理，分析散熱片的靜應(yīng)力及模態(tài)振型變化。最后運(yùn)用響應(yīng)曲面優(yōu)化分析方法（Response Surface）進(jìn)行求解計(jì)算，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，得到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

散熱片；有限元；靜應(yīng)力；模態(tài)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

汽車散熱片是汽車發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，散熱片的散熱效果直接影響了發(fā)電機(jī)的做工效率及使用壽命，而且散熱片有時(shí)汽車發(fā)電機(jī)必不可少的零部件之一，散熱片的作用使得發(fā)電機(jī)能夠持續(xù)的提供源源不斷的電力[1]。在實(shí)際發(fā)電機(jī)安裝過(guò)程中，在散熱片安裝位置處或者在散熱孔處會(huì)出現(xiàn)一些裂紋，這將嚴(yán)重的影響了散熱片的散熱效率，目前針對(duì)這種現(xiàn)象，很多企業(yè)都只是通過(guò)將散熱片加厚或者把尺寸加大來(lái)增加強(qiáng)度，但是這將會(huì)影響其他問(wèn)題的產(chǎn)生，本文通過(guò)基于ANSYS有限元對(duì)散熱片進(jìn)行靜應(yīng)力及模態(tài)振型分析，最終實(shí)現(xiàn)散熱片尺寸的優(yōu)化，在保證產(chǎn)品強(qiáng)度的同時(shí)，得到了最佳的設(shè)計(jì)方案。為散熱器的的設(shè)計(jì)提供參考。

1 汽車散熱片三維模型的建立

圖1 汽車散熱片三維模型

在有限元分析之前是需要進(jìn)行汽車散熱片三維模型的繪畫(huà)。本文通過(guò)SOLIDWORKS根據(jù)實(shí)際尺寸繪畫(huà)得到了汽車散熱片三維模型，圖1為汽車散熱片三維模型圖。

在進(jìn)行有限元仿真之前，需要將散熱片進(jìn)行材料的定義，本文研究的散熱片材料參數(shù)如表1所示。

表1 散熱片材料定義

從圖1可知，在汽車發(fā)電機(jī)上的散熱片中有通孔，一些是用螺栓固定的孔，一些是一些部件固定的安裝孔。此外，在強(qiáng)度滿足散熱片要求的情況下，在散熱片中設(shè)置盡量多的散熱孔，有助于發(fā)電機(jī)散熱。

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格質(zhì)量的劃分

在有限元分析中首先進(jìn)行需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將SOLIWORKS建立的三維模型轉(zhuǎn)化為中間格式導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行模型的確認(rèn)，由于散熱片的一般加工工藝是通過(guò)模具沖壓出來(lái)的是一個(gè)整體，所以在ANSYS中需要將模型凍結(jié)為一個(gè)整體，對(duì)模型影響不大的幾何特征可以忽略掉，如一些凸臺(tái)、倒角等，以便進(jìn)行網(wǎng)格劃分[2]。然后就開(kāi)始對(duì)散熱器進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分時(shí)選擇系統(tǒng)自動(dòng)劃分網(wǎng)格的形式，將網(wǎng)格定義為FINE，網(wǎng)格選用三角形網(wǎng)格，通過(guò)網(wǎng)格劃分，得到如圖2所示，最終劃分整個(gè)散熱片模型15217個(gè)單元格，27561個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 散熱片網(wǎng)格模型

圖3為網(wǎng)格質(zhì)量與Aspect Ratio圖表的關(guān)系圖，從網(wǎng)格質(zhì)量可以看出網(wǎng)格質(zhì)量主要趨向于0.88，已經(jīng)接近1，圖中的Aspect Ratio指的是三角形網(wǎng)格的長(zhǎng)邊與短邊之比的開(kāi)方數(shù)，從圖中得知Aspect Ratio為1.2，所以綜合網(wǎng)格質(zhì)量與Aspect Ratio判定網(wǎng)格質(zhì)量劃分良好。

圖3 網(wǎng)格質(zhì)量與Aspect Ratio圖表

2.2 定義邊界條件

在設(shè)定邊界條件時(shí)，邊界條件與實(shí)際工況的條件的近似程度直接影響了有限元分析的精確程度，所以要真是的反映散熱片的應(yīng)力應(yīng)變情況，首先得依據(jù)實(shí)際工況來(lái)設(shè)定邊界條件，如圖1所示，散熱片的結(jié)構(gòu)鋼為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在實(shí)際散熱過(guò)程中主要的散熱面為散熱片與安裝面的接觸面，在散熱片左右兩邊的安裝孔為全自由度的安裝

散熱片整體結(jié)構(gòu)雖然基本對(duì)稱，但是根據(jù)實(shí)際工況，在散熱片受壓過(guò)程中散熱片兩個(gè)承重面都與下工裝接觸，對(duì)兩個(gè)螺栓安裝孔底部端面進(jìn)行全自由度約束。如圖4為散熱片的約束示意圖。

2.3 散熱片有限元分析

在經(jīng)過(guò)散熱片約束定義后，可以得到如圖5，圖6所示的散熱片變形云圖及散熱片應(yīng)力云圖

圖4 散熱片約束條件圖

圖5 散熱片變形云圖

圖6 散熱片應(yīng)力云圖

從圖5以及圖6的云圖中可以看到，散熱片在變形最大處為散熱片的中部，主要的原因是由于散熱片在發(fā)電機(jī)內(nèi)部會(huì)振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)，而中間沒(méi)有完全定位，從圖6中可以看到應(yīng)力主要集中在固定螺栓孔的周圍，最大應(yīng)力值為46MPa，而出現(xiàn)工程易破損點(diǎn)的應(yīng)力值為26MPa，主要集中在散熱片的兩端的端部。為了得到散熱片的各階振型，在這里引入模態(tài)模塊對(duì)散熱片進(jìn)行模態(tài)分析。得到了如圖7的1-4階模態(tài)振型。

圖7 1-4階模態(tài)振型

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)設(shè)置了4階模態(tài)振型，因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，并不會(huì)產(chǎn)生太高頻率的振動(dòng)，試驗(yàn)在這里我們?cè)O(shè)置了4階模態(tài)，從圖中可以得到散熱片的一階固有頻率為168.79HZ，單大過(guò)這個(gè)頻率就會(huì)發(fā)生如圖7（a）的振動(dòng)變形，當(dāng)大于191.17HZ時(shí)，就會(huì)發(fā)生如圖7（b）所示的振動(dòng)變形，當(dāng)在第三階時(shí)，振動(dòng)頻率有所下降，為129.29HZ，在這個(gè)頻率范圍就會(huì)發(fā)生如圖7(c)，其中變形最大的為第四階。

2.4 散熱片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖8 散熱片的敏感性圖

圖9 散熱片響應(yīng)曲面

在對(duì)散熱片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是建立在靜應(yīng)力分析與模態(tài)分析的基礎(chǔ)之上的，通過(guò)靜應(yīng)力及模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)散熱片在安裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的變形，這將會(huì)導(dǎo)致散熱片的散熱效果較低和嚴(yán)重降低散熱片的使用壽命。對(duì)此，將散熱片的變形量與靜應(yīng)力做為目標(biāo)，以力的大小以及網(wǎng)格的大小作為評(píng)判的條件，在此選用相應(yīng)曲面的方法對(duì)散熱片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-5]，得到了如圖8的散熱片的敏感性圖和圖9的散熱片響應(yīng)曲面。從圖8中可以知道，總的變形量與力的大小成正比，與網(wǎng)格的大小成負(fù)相關(guān)，而平均應(yīng)力與力的大小成正相關(guān)與網(wǎng)格的大小成負(fù)相關(guān)。圖9中可以得到，力越大，變形量也就越大，在力一定的情況下，網(wǎng)格大小與中變形量無(wú)關(guān)。

通過(guò)圖8和圖9可以知道，自由通過(guò)改變散熱片受力的大小，才能有效的減小散熱片的變形量，所以，我們可以通過(guò)改變但熱片的安裝方式，從而減小散熱片收到的應(yīng)力，使得變形量能得到有效的改善。

3 總結(jié)

通過(guò)在三維軟件SOLIDWORKS中建立散熱片的三維模型，將其保存為中間格式導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行靜應(yīng)力及模態(tài)分析，得到了各階模態(tài)振型及應(yīng)力的最大值。

利用有限元響應(yīng)曲面的方法，將散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)散熱器的敏感性及響應(yīng)曲面，得到了力與變形之間的關(guān)系，為散熱片的優(yōu)化方案提供有效的參考。

[1]張寶玉，李萍，汪東明.發(fā)電機(jī)散熱片有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015,28(5)：29-31.

[2]李海峰,吳冀川,劉建波,等.有限元網(wǎng)格剖分與網(wǎng)格質(zhì)量判定指標(biāo)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012.23(3)：368-370.

[3]涂繼鵬,劉祖國(guó),張大斌. 基于ANSYS的煙框提升機(jī)框架力學(xué)特性分析[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,(02)：32-34.

[4]羅建欽,劉祖國(guó),吳峰,張大斌,盧澤,余朝靜. 山地烤煙拔桿機(jī)刀具有限元分析及試驗(yàn)[J]. 湖北工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,(06)：102-105.

[5]劉祖國(guó),張大斌,雷焱,余朝靜,盧澤. 基于ANSYS刮板靜應(yīng)力及優(yōu)化分析[J]. 湖北工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016,(06)：106-109.

Finite element analysis and optimization of automobile radiator based on ANSYS

Zhang Jie
(Guizhou Province, mechanical and electrical products quality supervision and Inspection Institute, Guiyang Guizhou, 550014)

In order to better improve the service life of automobile radiator. Combined with the structure of the automobile radiator, the three-dimensional model is established by using SOLIDWORKS. Based on the ANSYS, the vibration characteristics of the radiating fin are analyzed, and the weak links of the heat sink are found, so an improved scheme is put forward. The first will be transformed into a general format of 3D model format (X-T) or (IGS), and then pour into the finite element mesh in ANSYS, define the boundary conditions of pretreatment, static stress and modal shape change analysis of heat sink. Finally, the response surface optimization method (Response, Surface) is used to solve the problem, and the structure is improved according to the analysis result. The optimal design scheme is obtained.

heat sink; finite element; static stress; modal; optimal design