汽车膨胀箱有限元分析研究*

杨泽平，何　锋，余国宽，李惠林

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)



汽车膨胀箱有限元分析研究*

杨泽平，何锋，余国宽，李惠林

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：为提高某车型汽车膨胀箱可靠性，利用有限元分析方法，对膨胀箱进行静态结构和随机振动分析，求解膨胀箱在静载荷和动载荷下的受力情况。根据受力情况，为优化设计提供参考。

关键词:汽车膨胀箱有限元分析静态结构随机振动应力优化设计

0引言

汽车膨胀箱(以下简称膨胀箱)是盛放汽车发动机冷却液的容器，膨胀箱通过支架和支座固定在汽车发动机舱内，工作条件恶劣，并且在汽车行驶过程中受到来自路面颠簸的振动激励，同时膨胀箱内液体晃动冲击内壁。膨胀箱由于长时间处于恶劣的工作环境中，容易导致支架断裂，箱体开裂等问题。为了得到某车型膨胀箱在静载荷和动载荷下的受力情况，利用ANSYS软件对膨胀箱进行有限元分析。

车辆工作条件多样，各零部件承载工况复杂，各种载荷作用下对结构的性能要求也不相同[1]。贵州大学冯春亮[2]曾利用有限元方法，对汽车发动机舱内的腔体零件挡风玻璃洗涤液喷水壶进行了模态分析与频响分析，得到喷水壶的固有振动特性和稳态振动激励下的响应。然而，膨胀箱工作时主要是受到来自路面的随机振动激励，由于随机振动时振动的幅值和相位是不规则的[3]，所以本文利用有限元分析方法，对膨胀箱静态结构和随机振动进行研究。

利用ANSYS软件，首先分析静态结构的受力情况。然后进行模态分析，求解膨胀箱固有振动特性，进行随机振动分析，得出在给定功率谱位移下，膨胀箱的受力情况。最后分析计算结果，为膨胀箱优化设计提供参考。

1有限元模型建立

1.1建立模型

膨胀箱由箱体、支座和冷却液进、出管构成。该车型膨胀箱由上、下箱体组成，上箱体上有冷却液进管和排气管，下箱体上有左、右支架、下支撑座、冷却液出管和防堵座塞。膨胀箱总高为161.5 mm，箱体外径为158.6 mm，内径为150.6 mm，箱体容积为1.79 L。为保证膨胀箱的连续性[4]，在对膨胀箱进行建模前，需要对不影响结构特性的孔、槽等特征进行简化。

1.2划分网格

分析采用四面体方法划分模型网格，严格控制关联度、跨度中心角与网格尺寸等参数。膨胀箱网格模型如图1所示，其中节点总数为801 645个，单元数为480 577个。

1.3添加约束、载荷与材料属性

对膨胀箱三个安装位置施加Fixed Support方式的约束，限制其6个方向的自由度。

膨胀箱受力由膨胀箱自身重力和冷却液对膨胀箱内壁的压力和冲击力组成。首先对膨胀箱施加标准地球重力加速度惯性载荷；然后采取静水压力法，对膨胀箱内壁施加力载荷，假设冷却液为水，选取膨胀箱内顶面作为液体自由面。膨胀箱有限元模型如图2所示。

膨胀箱体材料是PP5，材料特性如表1所示。

表1

材料特性

2有限元分析

2.1静态结构分析

图3　膨胀箱等效应力云图

计算膨胀箱所受等效应力，膨胀箱等效压力云图如图3所示。最大应力存在于左、右支架与箱体交界加强筋的倒角处，最大等效应力为1.099 8 MPa。表明汽车静止，膨胀箱装满冷却液时，膨胀箱的支架和支座与箱体交界处所受应力最大。

2.2模态分析

模态分析是研究结构固有振动特性的方法[5]。对膨胀箱进行模态分析，求解膨胀箱1到6阶模态，得到各阶模态主振型固有频率如表2所示。膨胀箱在1阶模态时，其固有频率为241.89 Hz，并且随着模态阶数增大，其固有频率逐渐增大。汽车行驶时，主要受到因路面不平引起的汽车振动，频率范围约为0.5 Hz～25 Hz[6]。膨胀箱固有频率远大于汽车行驶时的振动频率，不会发生共振。

表2

各阶模态主振型固有频率

2.3随机振动分析

提取模态分析的结果作为随机振动分析的输入变量，分析车辆以60 km/h的速度在B级路面上行驶时的随机响应。根据国家标准GB/T7031-2005[7]得到空间频率位移功率谱密度值，取空间频率位移功率谱密度几何平均值进行计算。根据经验，路面谱经过悬架过滤到悬置点后按原谱值的30%来计算[8]。通过换算，将空间频率位移功率谱密度值转换为时间频率位移功率谱密度，随机载荷如表3所示。

表3

随机载荷

膨胀箱随机振动等效应力云图如图4所示。最大应力存在于冷却液出管与箱体交界的肋板处，应力值为3.110 7 MPa。膨胀箱随机振动变形云图如图5所示，最大变形出现在冷却液出管末端，由于冷却液出管属于悬置部位，变形随着位置与约束之间的距离增大而增大。冷却液出管末端变形使膨胀箱内部产生应力，在冷却液出管与箱体交界的肋板处产生应力集中现象。

3结论

通过对膨胀箱进行有限元分析，得到了膨胀箱在静载荷和动载荷下的受力情况。根据受力情况，建议在设计时适当增加左、右支架与箱体交界处的肋板尺寸和倒角半径。将下支撑座位置向出水口末端移动，减小悬置部位的悬置尺寸，缓解应力集中现象。

参考文献

[1]谭继棉.汽车有限元法[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]何锋,冯春亮.汽车挡风玻璃洗涤液喷水壶模态与频响分析[J].汽车零部件,2013(11)54-56.

[3]吴德壁.随机振动加速度值及其功率谱密度的计量研究[J].计量技术,1985(12)4-7.

[4]曾攀.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社,2004:3.

[5]傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社,2000:10-18.

[6]余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2009:3.

[7]国家标准化管理委员会. 机械振动道路路面谱测量数据报告:GB/T 7031-2005[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8]郭贵平,李守成,张洪生.某特种车驾驶室骨架结构的静动态分析[J].机械工程与自动化, 2015(4)88-89.

Finite element analysis of an automotive expansion tank

YANG Zeping, HE Feng, YU Guokuan，Li Huilin

Abstract:In order to improve the reliability of an automotive expansion tank, we analyzed the static structure and random vibration of the expansion tank using finite element method, found out the stress distribution of the expansion tank under static load and dynamic load, and provided reference for the optimization of the design of the expansion tank.

Keywords:automotive expansion tank; finite element analysis; static structure; random vibration; stress; optimization

收稿日期：2015-9-09

作者简介：杨泽平(1989-)，男，山东德州人，硕士，机械制造及其自动化专业，从事汽车零部件设计研究。

基金项目：贵州省科技攻关项目，黔科合GZ字[2013] 3003。

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)02-0013-03