基于ANSYS的汽车散热片有限分析及优化

张 洁

（贵州省机械电子产品质量监督检验院，贵州贵阳，550014）

基于ANSYS的汽车散热片有限分析及优化

张 洁

（贵州省机械电子产品质量监督检验院，贵州贵阳，550014）

为了更好的提高汽车散热片的使用寿命。结合汽车散热片的结构利用SOLIDWORKS建立三维模型，基于ANSYS的基础上分析散热片的振动特性，找到散热片的薄弱环节，从而提出改进方案。首先将三维模型转化格式为通用格式（X-T）或（IGS），然后倒入到有限元ANSYS中进行网格划分，定义边界条件等前处理，分析散热片的静应力及模态振型变化。最后运用响应曲面优化分析方法（Response Surface）进行求解计算，依据分析结果进行结构改进，得到了最优的设计方案。

散热片；有限元；静应力；模态；优化设计

0 引言

汽车散热片是汽车发电机的关键部件，散热片的散热效果直接影响了发电机的做工效率及使用寿命，而且散热片有时汽车发电机必不可少的零部件之一，散热片的作用使得发电机能够持续的提供源源不断的电力[1]。在实际发电机安装过程中，在散热片安装位置处或者在散热孔处会出现一些裂纹，这将严重的影响了散热片的散热效率，目前针对这种现象，很多企业都只是通过将散热片加厚或者把尺寸加大来增加强度，但是这将会影响其他问题的产生，本文通过基于ANSYS有限元对散热片进行静应力及模态振型分析，最终实现散热片尺寸的优化，在保证产品强度的同时，得到了最佳的设计方案。为散热器的的设计提供参考。

1 汽车散热片三维模型的建立

图1 汽车散热片三维模型

在有限元分析之前是需要进行汽车散热片三维模型的绘画。本文通过SOLIDWORKS根据实际尺寸绘画得到了汽车散热片三维模型，图1为汽车散热片三维模型图。

在进行有限元仿真之前，需要将散热片进行材料的定义，本文研究的散热片材料参数如表1所示。

表1 散热片材料定义

从图1可知，在汽车发电机上的散热片中有通孔，一些是用螺栓固定的孔，一些是一些部件固定的安装孔。此外，在强度满足散热片要求的情况下，在散热片中设置尽量多的散热孔，有助于发电机散热。

2 有限元模型的建立

2.1 网格质量的划分

在有限元分析中首先进行需要进行网格划分，将SOLIWORKS建立的三维模型转化为中间格式导入ANSYS中进行模型的确认，由于散热片的一般加工工艺是通过模具冲压出来的是一个整体，所以在ANSYS中需要将模型冻结为一个整体，对模型影响不大的几何特征可以忽略掉，如一些凸台、倒角等，以便进行网格划分[2]。然后就开始对散热器进行网格划分。在网格划分时选择系统自动划分网格的形式，将网格定义为FINE，网格选用三角形网格，通过网格划分，得到如图2所示，最终划分整个散热片模型15217个单元格，27561个节点。

图2 散热片网格模型

图3为网格质量与Aspect Ratio图表的关系图，从网格质量可以看出网格质量主要趋向于0.88，已经接近1，图中的Aspect Ratio指的是三角形网格的长边与短边之比的开方数，从图中得知Aspect Ratio为1.2，所以综合网格质量与Aspect Ratio判定网格质量划分良好。

图3 网格质量与Aspect Ratio图表

2.2 定义边界条件

在设定边界条件时，边界条件与实际工况的条件的近似程度直接影响了有限元分析的精确程度，所以要真是的反映散热片的应力应变情况，首先得依据实际工况来设定边界条件，如图1所示，散热片的结构钢为对称结构，在实际散热过程中主要的散热面为散热片与安装面的接触面，在散热片左右两边的安装孔为全自由度的安装

散热片整体结构虽然基本对称，但是根据实际工况，在散热片受压过程中散热片两个承重面都与下工装接触，对两个螺栓安装孔底部端面进行全自由度约束。如图4为散热片的约束示意图。

2.3 散热片有限元分析

在经过散热片约束定义后，可以得到如图5，图6所示的散热片变形云图及散热片应力云图

图4 散热片约束条件图

图5 散热片变形云图

图6 散热片应力云图

从图5以及图6的云图中可以看到，散热片在变形最大处为散热片的中部，主要的原因是由于散热片在发电机内部会振动，产生振动激励，而中间没有完全定位，从图6中可以看到应力主要集中在固定螺栓孔的周围，最大应力值为46MPa，而出现工程易破损点的应力值为26MPa，主要集中在散热片的两端的端部。为了得到散热片的各阶振型，在这里引入模态模块对散热片进行模态分析。得到了如图7的1-4阶模态振型。

图7 1-4阶模态振型

在进行模态分析时设置了4阶模态振型，因为在发电机运行过程中，并不会产生太高频率的振动，试验在这里我们设置了4阶模态，从图中可以得到散热片的一阶固有频率为168.79HZ，单大过这个频率就会发生如图7（a）的振动变形，当大于191.17HZ时，就会发生如图7（b）所示的振动变形，当在第三阶时，振动频率有所下降，为129.29HZ，在这个频率范围就会发生如图7(c)，其中变形最大的为第四阶。

2.4 散热片的优化设计

图8 散热片的敏感性图

图9 散热片响应曲面

在对散热片进行优化设计，是建立在静应力分析与模态分析的基础之上的，通过静应力及模态分析，发现散热片在安装过程中会出现一定的变形，这将会导致散热片的散热效果较低和严重降低散热片的使用寿命。对此，将散热片的变形量与静应力做为目标，以力的大小以及网格的大小作为评判的条件，在此选用相应曲面的方法对散热片进行优化设计[3-5]，得到了如图8的散热片的敏感性图和图9的散热片响应曲面。从图8中可以知道，总的变形量与力的大小成正比，与网格的大小成负相关，而平均应力与力的大小成正相关与网格的大小成负相关。图9中可以得到，力越大，变形量也就越大，在力一定的情况下，网格大小与中变形量无关。

通过图8和图9可以知道，自由通过改变散热片受力的大小，才能有效的减小散热片的变形量，所以，我们可以通过改变但热片的安装方式，从而减小散热片收到的应力，使得变形量能得到有效的改善。

3 总结

通过在三维软件SOLIDWORKS中建立散热片的三维模型，将其保存为中间格式导入ANSYS中进行静应力及模态分析，得到了各阶模态振型及应力的最大值。

利用有限元响应曲面的方法，将散热器进行优化设计，通过散热器的敏感性及响应曲面，得到了力与变形之间的关系，为散热片的优化方案提供有效的参考。

[1]张宝玉，李萍，汪东明.发电机散热片有限元分析与结构优化[J].机械研究与应用,2015,28(5)：29-31.

[2]李海峰,吴冀川,刘建波,等.有限元网格剖分与网格质量判定指标[J].中国机械工程,2012.23(3)：368-370.

[3]涂继鹏,刘祖国,张大斌. 基于ANSYS的烟框提升机框架力学特性分析[J]. 贵州大学学报(自然科学版),2017,(02)：32-34.

[4]罗建钦,刘祖国,吴峰,张大斌,卢泽,余朝静. 山地烤烟拔杆机刀具有限元分析及试验[J]. 湖北工程学院学报,2016,(06)：102-105.

[5]刘祖国,张大斌,雷焱,余朝静,卢泽. 基于ANSYS刮板静应力及优化分析[J]. 湖北工程学院学报,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