高鵬堂，李官保

(1.武威職業(yè)學(xué)院，甘肅武威 733000；2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽合肥 230000)

0 引言

汽車領(lǐng)域技術(shù)日新月異、發(fā)展迅猛，汽車輕量化、產(chǎn)品綠色無污染逐漸成為汽車產(chǎn)品的兩大研發(fā)目標(biāo)。隨著《中國(guó)制造2025》[1]的頒布實(shí)施，節(jié)能和環(huán)保主題將成為今后我國(guó)汽車領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的主流革新方向。隨著車用材料領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，作為汽車零部件的車用散熱器支撐骨架，其生產(chǎn)使用的加工原料逐漸從質(zhì)量密度大的鋼材合金等金屬材料向輕量化材料諸如長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯等塑性材料轉(zhuǎn)型[2]。車用散熱器支撐骨架，即安裝于汽車上以用來支撐汽車散熱器的支撐骨架。它能夠起到緊固和保護(hù)汽車散熱器的作用，同時(shí)可以提升汽車行駛時(shí)的抗振性、舒適性，滿足汽車本身的經(jīng)濟(jì)性和使用性能要求，符合時(shí)下汽車領(lǐng)域的發(fā)展潮流。相關(guān)塑性材質(zhì)的車用散熱器支架國(guó)內(nèi)外研究并不多見：海南大學(xué)李勁松研究團(tuán)隊(duì)，曾通過相關(guān)有限元力學(xué)仿真分析和相關(guān)試驗(yàn)證明了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料用于車用散熱器支撐骨架的可靠性與實(shí)用性，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化改良。對(duì)于文中所研究的四川野馬汽車品牌部分車型的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯車用散熱器塑性支撐骨架所使用的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的材料配比為35%長(zhǎng)玻璃纖維材料配合60%聚丙烯材料以及添加5%其他增強(qiáng)補(bǔ)充材料。

車用散熱器塑性支撐骨架的發(fā)展應(yīng)用主要具有如下三大特色優(yōu)勢(shì)[3]：

(1)整體的輕量化。比較于鋼材、鋁合金等金屬材料，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料作為車用散熱器支撐骨架的制作原料，將大大減輕產(chǎn)品的整體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化目標(biāo)[4]。

(2)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)可塑性。作為高分子塑性材料的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯，相較于普通常見的金屬材料而言，具有較強(qiáng)的可塑性能。使用長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯可使用一次注塑成型的加工工藝來生產(chǎn)制造車用散熱器支撐骨架，而金屬材料的車用散熱器支撐骨架只能通過點(diǎn)焊等方式加工成型，這無疑大大提升了產(chǎn)品的精度和外觀。

(3)產(chǎn)品的抗老化性。長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯材料結(jié)構(gòu)里因?yàn)椴ＡЮw維材料所具有的強(qiáng)化作用，使得材料的性能得以大幅度的增強(qiáng)，具有較好的抗蠕變性能、抗腐蝕、抗疲勞性能和使用壽命長(zhǎng)等性能。因而，使用抗老化性能強(qiáng)的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯來作為車用散熱器支撐骨架的生產(chǎn)材料，將會(huì)有效地解決以往鋼材、鋁合金等金屬材質(zhì)的車用散熱器支撐骨架使用中存在的易老化問題，大大提升產(chǎn)品的實(shí)用性能。

1 車用散熱器塑性支撐骨架有限元力學(xué)分析

1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

車用散熱器塑性支撐骨架從實(shí)物整體上而言為薄壁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，如圖1所示為該車用散熱器塑性支撐骨架的實(shí)物圖。從企業(yè)的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，該車用散熱器塑性支撐骨架整體的長(zhǎng)約為1.2 m，寬約為0.6 m，相似為長(zhǎng)方形平面圖像。其主要結(jié)構(gòu)成分為上、下兩橫架,左、右兩縱梁和一對(duì)縱梁處的附加腹板。

圖1 車用散熱器支撐骨架實(shí)物

1.2 有限元模型的構(gòu)建

有限元模型主要是在軟件中通過完成實(shí)體建模后，定義相關(guān)的屬性和約束，即可以構(gòu)建出其有限元模型并應(yīng)用于后續(xù)的力學(xué)分析。其中，實(shí)體模型的有限元建模過程主要包含以下3個(gè)步驟[5]：

(1)定義模型材料屬性。通過ANSYS有限元分析軟件的功能模塊即可以快速完成定義車用散熱器塑性支撐骨架的材料屬性，文中依據(jù)車用散熱器塑性支撐骨架的制造材料，在軟件自帶的龐大材料數(shù)據(jù)庫中選擇材料Polypropylene-GF(長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯)[6]；

(2)定義模型單元格屬性。對(duì)車用散熱器塑性支撐骨架模型開展有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，使用簡(jiǎn)單的3D四面體網(wǎng)格劃分方法即可實(shí)現(xiàn)，通過軟件的自動(dòng)單元大小劃分，對(duì)塑性散熱器箱體支架整體進(jìn)行智能化網(wǎng)格劃分后生成的網(wǎng)格單元大小為9.5 mm；

(3)劃分生成網(wǎng)格并檢查網(wǎng)格模型。網(wǎng)格劃分成功后，模型共有1 915 600個(gè)單元和296 432個(gè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)算，這些單元格均符合計(jì)算精度的要求。如圖2所示為文中后續(xù)有限元分析所使用的有限元仿真模型。

圖2 車用散熱器塑性支撐骨架的有限元模型

1.3 有限元分析與結(jié)果

在ANSYS有限元分析軟件中，首先對(duì)該車用散熱器塑性支撐骨架的有限元模型的螺栓孔添加適當(dāng)約束；其次再對(duì)該有限元模型的上、下橫架上的支撐承重面添加大小均為0.10 MPa的載荷壓力。完成對(duì)車用散熱器塑性支撐骨架有限元模型的前處理工作后，便可以借助計(jì)算機(jī)件ANSYS有限元分析軟件自帶的后處理功能模塊，對(duì)該車用散熱器塑性支撐骨架的有限元模型展開有限元靜力學(xué)分析，從而獲得了該車用散熱器塑性支撐骨架的有限元靜力學(xué)分析應(yīng)力云圖和整體位移云圖，如圖3和圖4所示。

圖3 車用散熱器塑性支撐骨架應(yīng)力云圖

圖4 車用散熱器塑性支撐骨架整體位移云圖

如今，通過開展對(duì)物體結(jié)構(gòu)的有限元靜力學(xué)分析研究繼而來評(píng)判該物體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特性和剛度特性的研究方法日趨盛行[7]。文中利用車用散熱器塑性支撐骨架有限元靜力學(xué)分析結(jié)果的應(yīng)力云圖和整體位移云圖，對(duì)該車用散熱器塑性支撐骨架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度展開校核及評(píng)價(jià)。

(1)強(qiáng)度校核評(píng)價(jià)

通過分析圖3所示的車用散熱器塑性支撐骨架應(yīng)力云圖可以看出，該車用散熱器塑性支撐骨架在汽車車載散熱器的載荷應(yīng)力作用下，其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)主要集中在左右兩邊縱架的內(nèi)側(cè)，而該車用散熱器塑性支撐骨架下橫架部分位置也略有應(yīng)力分布。進(jìn)一步分析得知，該車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度大小約為2.3 MPa。然而，長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯高分析材料的屈服極限強(qiáng)度大小可達(dá)到20 MPa。由此可見，車用散熱器塑性支撐骨架的整體響應(yīng)應(yīng)力強(qiáng)度都遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。因此，結(jié)合第四強(qiáng)度理論分析，基于有限元靜力學(xué)分析結(jié)構(gòu)得出：車用散熱器塑性支撐骨架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠且符合要求。

(2)剛度評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛度可以通過研究其結(jié)構(gòu)在外界載荷作用下的位移變形量大小情況來定量判斷[8]。通過分析圖4所示的車用散熱器塑性支撐骨架的整體位移云圖得到：該車用散熱器塑性支撐骨架在汽車車載散熱器的載荷應(yīng)力作用下，其最大位移量部位出現(xiàn)在下橫架的中間部位，且最大位移量為0.161 mm，均小于各部位剛度設(shè)計(jì)要求。因此可以表明該車用散熱器塑性支撐骨架的結(jié)構(gòu)剛度符合設(shè)計(jì)要求。

2 車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

計(jì)算機(jī)仿真分析是輔助工程領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)和理論分析的重要手段之一。通過構(gòu)建合理的仿真近似模型來對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能展開理論研究已被大量運(yùn)用在工程領(lǐng)域中[9]。

通過先前對(duì)車用散熱器塑性支撐骨架的有限元靜力學(xué)發(fā)現(xiàn)，該車用散熱器塑性支撐骨架的下橫架處是其整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)變形的核心部位。因此，研究選取車用散熱器塑性支撐骨架下橫架處的下橫架厚度參數(shù)d、下橫面傾角參數(shù)α，以及車用散熱器塑性支撐骨架下橫架過度圓弧半徑參數(shù)r這3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)來作為車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化的變量指標(biāo)，并轉(zhuǎn)置為矩陣。具體的設(shè)計(jì)變量數(shù)學(xué)表達(dá)式為

X=[d，α，r]T

(1)

其中，優(yōu)化過程設(shè)定的約束條件主要包含：(1)優(yōu)化后產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)應(yīng)力σm應(yīng)當(dāng)不大于材料屈服應(yīng)力σs，并設(shè)置最大應(yīng)力數(shù)值15%額度為安全空間；即文中設(shè)置的安全因子λ=1.15。(2)應(yīng)當(dāng)設(shè)置假設(shè)X1和X2分別為設(shè)計(jì)變量可行域X的最小值和最大值，以保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性。因此，具體表達(dá)式為

(2)

結(jié)合實(shí)情充分考量后，所選取的車用散熱器塑性支撐骨架下橫架處的下橫架厚度參數(shù)d、下橫面傾角參數(shù)α，以及車用散熱器塑性支撐骨架下橫架過度圓弧半徑參數(shù)r這3個(gè)變量指標(biāo)所允許的變化幅度控制在上下10%以內(nèi)，如表1所示。

表1 參數(shù)范圍

文中以車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)輕量化和降低結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力來為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)建立相應(yīng)的優(yōu)化函數(shù)關(guān)系式。建立優(yōu)化函數(shù)關(guān)系式，擬采用線性加權(quán)法[10]，以便于將結(jié)構(gòu)輕量化和降低結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力這2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)變?yōu)閱我荒繕?biāo)來進(jìn)行求解，具體所建立的優(yōu)化函數(shù)關(guān)系式如式(3)所列。其中，M(X)為車用散熱器塑性支撐骨架的質(zhì)量函數(shù)關(guān)系式，F(xiàn)(X)為車用散熱器塑性支撐骨架的結(jié)構(gòu)最大響應(yīng)應(yīng)力函數(shù)關(guān)系式。另外，基于加權(quán)法建立函數(shù)關(guān)系式時(shí)，在權(quán)衡兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，認(rèn)為輕量化目標(biāo)的重要性要高于結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力，則各目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)ω分別為0.7、0.3。

G(X)=minimize{ω1M(X)-ω2F(X)}

(3)

基于上述分析，基于Isight軟件的多目標(biāo)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

ObejectG(X)=min{0.7M(X)-0.3F(X)}

Subject to 1.15σm≤σs

X1≤X≤X2

選用NCGG遺傳算法并完成軟件中的相關(guān)設(shè)置后，即可以獲得車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化流程圖，如圖5所示。

圖5 車用散熱器塑性支撐骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

最后，通過軟件導(dǎo)出該優(yōu)化解3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體數(shù)值見表2。

表2 優(yōu)化后的參數(shù)數(shù)值

表3為車用散熱器塑性支撐骨架優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和最大響應(yīng)應(yīng)力對(duì)照表。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)優(yōu)化后，塑性散熱器箱體支架實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)輕量化和高疲勞壽命化兩個(gè)目標(biāo)。其中，優(yōu)化后的車用散熱器塑性支撐骨架整體質(zhì)量較優(yōu)化前質(zhì)量減輕了17%；其結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力降低了7.5%，其結(jié)構(gòu)的疲勞壽命得以略微提升。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的指標(biāo)對(duì)比

3 結(jié)論

(1) 通過ANSYS軟件對(duì)車用散熱器塑性支撐骨架的結(jié)構(gòu)展開了有限元靜力學(xué)分析說明：該車用散熱器塑性支撐骨架的整體結(jié)構(gòu)能滿足產(chǎn)品使用的強(qiáng)度、剛度要求。

(2)選取車用散熱器塑性支撐骨架部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于計(jì)算機(jī)軟件對(duì)車用散熱器塑性支撐骨架展開了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。優(yōu)化后的車用散熱器塑性支撐骨架的下橫架過度圓弧半徑參數(shù)數(shù)值為10.27 cm，下橫架厚度參數(shù)數(shù)值為5.55 cm，下橫面傾角參數(shù)數(shù)值為133°。并且，經(jīng)過對(duì)優(yōu)化前后的車用散熱器塑性支撐骨架相關(guān)參數(shù)對(duì)比表明：優(yōu)化后的車用散熱器塑性支撐骨架整體質(zhì)量較優(yōu)化前整體質(zhì)量減輕了17%；其結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)應(yīng)力降低了7.5%。