高鵬堂 李官保

（1.武威職業(yè)學(xué)院；2.江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）

目前，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車開始走向輕量化。汽車輕量化是提高汽車動力性、舒適性和競爭力的必須方向[1]。在汽車總體質(zhì)量實現(xiàn)輕量化的情況下，局部結(jié)構(gòu)的輕量化也顯得尤為重要，比如散熱器支撐骨架。過去以鋼或鋁合金為材料制造的散熱器支撐骨架顯得十分笨重，已經(jīng)不符合汽車發(fā)展的要求。當(dāng)前新型復(fù)合材料——聚丙烯/玻璃纖維的出現(xiàn)，使得散熱器支撐骨架實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)成為可能。聚丙烯/玻璃纖維除具有聚丙烯原有的耐化學(xué)腐蝕、電絕緣等優(yōu)良性能外，其強(qiáng)度、硬度、剛度、耐熱性等都大大提高[2]。正是在這一背景下，許多汽車生產(chǎn)公司開始應(yīng)用聚丙烯/玻璃纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼、鋁合金等材料于實際生產(chǎn)中。文章以某聚丙烯/玻璃纖維材料的散熱器支撐骨架為例，借助計算機(jī)軟件對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，來驗證用聚丙烯/玻璃纖維材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料制造散熱器支撐骨架是否滿足可靠性的要求。

1 聚丙烯/玻璃纖維散熱器支撐骨架

目前，聚丙烯/玻璃纖維材料是加工生產(chǎn)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的一類熱塑性復(fù)合材料。比如，汽車產(chǎn)業(yè)中就用它來生產(chǎn)某些汽車零配件。玻璃纖維對聚丙烯有增強(qiáng)作用，可在一定程度上提高聚丙烯的力學(xué)性能[3]。玻璃纖維在聚丙烯中是以骨架結(jié)構(gòu)來承擔(dān)應(yīng)力和載荷，達(dá)到增強(qiáng)效果；同時，玻璃纖維還可以促進(jìn)聚丙烯結(jié)晶，起成核劑作用，可在一定程度上提高材料的強(qiáng)度[4]。在一些要求強(qiáng)度大、剛度高的領(lǐng)域，聚丙烯/玻璃纖維材料完全可以用來代替高級工程塑料、金屬、鑄件、熱固性樹脂等材料。并且相比于這些材料，聚丙烯/玻璃纖維材料還具有質(zhì)量輕、抗沖擊力強(qiáng)、疲勞韌性好、成型周期短和可循環(huán)利用等優(yōu)點[5]。

隨著汽車產(chǎn)品發(fā)展的需要和材料技術(shù)的不斷演進(jìn)，用聚丙烯/玻璃纖維代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材、鋁合金來制成散熱器支撐骨架已經(jīng)成為生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)時選擇材料的一種趨勢。因為相比傳統(tǒng)材料的散熱器支撐骨架，它具有價格低、抗沖擊力強(qiáng)、質(zhì)量輕等優(yōu)勢，所以聚丙烯/玻璃纖維制成的散熱器支撐骨架深受市場用戶的青睞。

分析聚丙烯/玻璃纖維散熱器支撐骨架產(chǎn)品的可靠性，主要是要驗證其結(jié)構(gòu)上強(qiáng)度、剛度是否能夠滿足產(chǎn)品的可靠性要求。文章選用計算機(jī)CATIA、UG 軟件來進(jìn)行驗證。其主要步驟是通過CATIA 軟件來建立仿真模型；再使用UG 軟件對仿真模型進(jìn)行有限元靜力分析；最后根據(jù)分析結(jié)果，對比相關(guān)可靠性參數(shù)，判斷聚丙烯/玻璃纖維散熱器支撐骨架是否滿足可靠性要求。

2 散熱器支撐骨架仿真模型建立

建模是計算機(jī)輔助造型設(shè)計的前期階段，也是整個造型過程的重點。因此選用一種合適的建模軟件十分重要[6]。利用計算機(jī)CATIA 軟件對散熱器支撐骨架進(jìn)行仿真模型的建立主要分為2 步：1）確定該散熱器支撐骨架的結(jié)構(gòu)參數(shù)；2）根據(jù)數(shù)據(jù)建立散熱器支撐骨架實體三維模型。

2.1 散熱器支撐骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

某汽車公司生產(chǎn)的新型聚丙烯/玻璃纖維散熱器支撐骨架從結(jié)構(gòu)上來看是復(fù)雜的薄壁加筋結(jié)構(gòu)，它采用一體成型注塑工藝制造。該散熱器支撐骨架總長度為1 138 mm，高度為635 mm，由上下2 根橫梁、左右2 根縱梁以及兩側(cè)腹板組成。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)并結(jié)合實際模型，選用AutoCAD 軟件繪制出該散熱器支撐骨架的平面圖，如圖1 所示。

圖1 散熱器支撐骨架CAD 平面圖

2.2 散熱器支撐骨架模型的建立

按照簡化原則，根據(jù)AutoCAD 的平面圖紙，再結(jié)合該散熱器支撐骨架的產(chǎn)品實物，采用專業(yè)CATIA 軟件對散熱器支撐骨架進(jìn)行仿真建模。建立散熱器支撐骨架仿真模型，如圖2 所示。

圖2 散熱器支撐骨架實體模型正面

3 散熱器支撐骨架有限元模型建立

UG 的CAD/CAE/CAM功能模塊有復(fù)雜的建模、裝配、運動仿真和有限元分析等功能[7]。文章對散熱器支撐骨架的有限元靜力分析采用UG 軟件來進(jìn)行。

將散熱器支撐骨架仿真模型導(dǎo)入UG 軟件后，將界面切換到UG 高級仿真模塊，采用NX Nastran 求解器，進(jìn)入創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境。有限元模型的建立一般分為定義材料屬性、定義單元格屬性、劃分網(wǎng)格等步驟。根據(jù)某汽車公司生產(chǎn)的新型聚丙烯/玻璃纖維散熱器支撐骨架定義完成各種屬性后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，可以先利用UG 的自動判斷功能，得到系統(tǒng)建議的網(wǎng)格尺寸，并以此尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]。實體模型劃分網(wǎng)格后即可生成有限元模型，為后續(xù)施加邊界條件和載荷，以及求解做好準(zhǔn)備。經(jīng)過上述步驟，得出散熱器支撐骨架有限元模型，如圖3 所示。

圖3 散熱器支撐骨架有限元模型

4 散熱器支撐骨架有限元靜力分析

4.1 有限元靜力分析概述

散熱器支撐骨架是用來承載與保護(hù)散熱器的，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度以應(yīng)對汽車運動過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和振動作用。

目前，計算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的建立，使得用有限元軟件可以方便地建模和進(jìn)行靜力求解[9]。通過UG 靜力分析結(jié)果即可得出該散熱器支撐骨架在結(jié)構(gòu)上的剛度、強(qiáng)度是否滿足結(jié)構(gòu)要求，從而判斷該散熱器支撐骨架是否可靠。

4.2 散熱器支撐骨架的約束和載荷處理

汽車在靜止工況或者正常勻速行駛過程中，散熱器支撐骨架主要受到自身豎直向下的重力和散熱器總成給其施加的外部載荷，以及各個固定螺栓對散熱器支撐骨架的支撐力的作用。采用已經(jīng)建立好的有限元模型、對散熱器支撐骨架結(jié)構(gòu)在汽車上固定方式的介紹以及計算而來的散熱器總成施加的應(yīng)力，對模型上各安裝孔施加銷釘約束，并在散熱器支撐骨架下橫梁處2 個支座承重面上施加應(yīng)力，同時在Z 軸負(fù)方向施加重力加速度。散熱器支撐骨架的約束處理與施加載荷，如圖4 所示。

圖4 散熱器支撐骨架的約束處理和施加載荷

4.3 散熱器支撐骨架的有限元靜力分析

在完成了網(wǎng)格的劃分、約束處理和載荷添加后，選用適當(dāng)?shù)那蠼馄鬟M(jìn)行散熱器支撐骨架的有限元靜力分析求解。求解完成后，得到散熱器支撐骨架馮氏應(yīng)力分布云圖及位移變形云圖，如圖5 和圖6 所示。

圖5 散熱器支撐骨架馮氏應(yīng)力云圖顯示界面

圖6 散熱器支撐骨架總位移變形云圖顯示界面

4.4 根據(jù)靜力分析進(jìn)行強(qiáng)度校核和剛度校核

4.4.1 散熱器支撐骨架強(qiáng)度校核

因為該散熱器支撐骨架采用的是聚丙烯/玻璃纖維高分子復(fù)合材料，屬于塑性材料，故文章采用第四強(qiáng)度理論對其進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度的評價，即用馮氏應(yīng)力進(jìn)行評價。

從圖5 所示的散熱器支撐骨架馮氏應(yīng)力分布情況來看，散熱器支撐骨架的應(yīng)力總體分布均勻。最大應(yīng)力出現(xiàn)在左右兩側(cè)腹板靠內(nèi)偏下的安裝孔附近，應(yīng)力集中比較明顯，最大應(yīng)力為2.277 MPa。而散熱器支撐骨架采用的聚丙烯/玻璃纖維材料的屈服極限為121 MPa，可知散熱器支撐骨架的最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。

經(jīng)過分析，出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位是由于在進(jìn)行實體建模過程中，為了方便劃分網(wǎng)格，而將應(yīng)力集中部位附近以及下橫梁承重面部位的倒角給去除造成的，所以對于原模型來說，最大應(yīng)力應(yīng)該更小?？偟膩碚f，該散熱器支撐骨架有一定的強(qiáng)度儲備，能夠滿足使用強(qiáng)度要求。

4.4.2 散熱器支撐骨架剛度校核

除了對散熱器支撐骨架進(jìn)行強(qiáng)度校核之外，還需對其結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行評價，由生產(chǎn)企業(yè)提供的該散熱器支撐骨架的剛度設(shè)計要求，如表1 所示。

表1 散熱器支撐骨架各部位剛度設(shè)計要求

結(jié)構(gòu)的剛度主要表現(xiàn)為其在外載荷作用下的位移變形，從散熱器支撐骨架的總位移變形云圖中可看出最大位移發(fā)生在散熱器支撐骨架下橫梁正中間偏上位置，位移大小為0.161 mm，幾乎沒有發(fā)生變形。主要原因在于散熱器支撐骨架下橫梁處沒有任何與車身相連的固定位置，下橫梁兩端又是承重面，所以在散熱器總成所施加的載荷的作用下，散熱器支撐骨架下橫梁會向下彎曲，由于兩端受力相同，各位移相對較大的點發(fā)生在散熱器支撐骨架下橫梁中間部位。但上述這些位移變形量均小于表1 給定的要求，說明該散熱器支撐骨架的整體剛度能夠滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

1）根據(jù)計算機(jī)CATIA、UG 軟件對某聚丙烯/玻璃纖維汽車散熱器支撐骨架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：用聚丙烯/玻璃纖維材料制造的散熱器支撐骨架不僅滿足結(jié)構(gòu)要求，具有可靠性，而且相比于傳統(tǒng)材料（如銅、鋁合金等）制造的散熱器支撐骨架可以節(jié)約原料，提高產(chǎn)品性能，減小成型收縮率，提高熱變形溫度，以及實現(xiàn)汽車輕量化。

2）聚丙烯/玻璃纖維材料因其質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、塑性好、耐熱性強(qiáng)等特點，在今后的工業(yè)生產(chǎn)中，將會越發(fā)為人們所關(guān)注和重視。在某些領(lǐng)域內(nèi)，聚丙烯/玻璃纖維材料將會逐漸取代傳統(tǒng)鋼、鋁合金等材料，帶來更佳的使用效果。