基于HyperMesh的汽车发动机冷却风扇有限元分析

陈凯

摘要：发动机风扇因其在冷却系统中的重要性而备受关注，但扇叶的断裂也使设计者备受困扰，同时给使用者也带来诸多的麻烦。针对以上问题，在HyperMesh中首先对风扇进行前期的几何处理、网格划分、以及静力学分析和模型优化析最后通过模态分析对优化后的模型进行验证等完成发动机冷却风扇的有限元分析，结果表明：模态分析的前六阶的振动频率和主振型都比较稳定证明优化的可行性。进而提高风扇的静力学性能，改善风扇的工作质量。

Abstract： The engine fan has attracted much attention because of its importance in the cooling system， but the fracture of the fan blade also troubles the designer， and also brings a lot of trouble to the user. In view of the above problems， in HyperMesh， the fan is firstly subjected to geometric processing， meshing， static analysis and model optimization analysis， and finally the optimized model is verified through modal analysis to complete the finite element analysis of the engine cooling fan. The results show that the first six vibration frequencies and main vibration modes of the modal analysis are relatively stable， which proves the feasibility of optimization. In turn， the static performance of the fan is improved， and the working quality of the fan is improved.

关键词：HyperMesh;汽车发动机冷却风扇;模态分析;振动频率;主要振型

Key words： HyperMesh;automobile engine cooling fan;modal analysis;vibration frequency;main vibration mode

中图分类号：U463.32                                   文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2021）02-0024-02

0  引言

随着科技的发展汽车在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，这也就要求着汽车必须具备更加优秀的性能，其中冷却系统优劣至关重要;但发动机风扇的断裂问题长期困扰使用者和厂家，国内外专家也对此做了大量的研究。1997年S.Moreau等[1，2]首次应用流体力学展开对发动机风扇的研究，大大的缩短了开发时间;1999年Roy.S等[3，4]应用CFD技术对优化后的七叶风扇进行仿真，验证了有限元方法的有效性;2003年王学辉等[5]应用CFD技术对风扇进行数值模拟，证明了CFD技术有效改善风扇系统的设计;本研究通过应用限元分析软件HyperMesh对风扇进行几何处理、网格划分、以及静力学分析和优化等完成发动机冷却风扇的有限元分析提高风扇的力学性能。

1  发动机冷却风扇有限元模型

在三维建模软件Catia中完成发动机冷却风扇的建模，通过HyperMesh的专门接口导入模型文件，可以确保该模型不会出现失真现象。模型坐标系采用OXYZ直角动坐标系，在模型水平方向上，X轴平行水平地面指向前方，XOZ确保模型在平面内左右对称，Y轴指向模型右方，Z轴通过风扇主轴指向上方;图1为冷却风扇的三维模型。

在HyperMesh软件中导入冷却风扇的三维模型文件，应用midsurface中面提取功能，提取模型的中面，因为从软件中得到的中面几何质量比较差存在着小孔、圆角、倒角等问题，所以模型在进行有限元分析之前，要先进行几何处理，以减小其他因素对分析结果的影响。几何清理工作主要包括细小孔、圆角以及面与面之间倒角等部位的去除。在补孔前对模型提取面，再通过生成临时节点来测量模型中小孔的半径，以便进行后续清理工作。前期处理是为了是模型网格的划分更加顺利的进行，使模型能够在更合理的区域内划分网格，提高模型网格划分的质量，奠定后续的分析计算;划分网格首先采用软件自动网格生成工具进行划分，因四边形壳网格单元的质量最好所以以四边形壳网格单元为主要的单元形态，三角形单元质量较差，所以如果必须使用三角形时尽量使用较少的三角形单元，从而避免局部刚性过大的问题。自动网格划分完成后，对模型网格进行检查，若有部分区域网格划分效果不太理想，则手动进行调整，以得到尽可能合理的有限元分析网格模型。如图2所示。

2  分析

2.1 静力分析

完成模型导入和网格划分之中的所有步骤后建立载荷步loadstep然后提交Optistruct，将run option栏改为analysis，最后点击Optistruct得到如图3静力分析云图。

然后进行模型的优化，在完成静力分析的基础上定义设计变量在analysis中打开optimization，在topology模块中定义变量;然后在responses中定义响应变量在该模块中分别定义质量vol和位移dis，接着是在objective中定义目标，在deonstraints中施加约束，最后提交将run0ption栏改为optimization，点击optistruct得到如图4优化云图。

2.2 模态分析

本次模态分析设置为六阶模态，模态分析步骤与静力分析相似首先定义好材料属性然后定义和施加约束建立模态分析卡片最后建立载荷步提交得到分析云图。模态分析结果云图如图5所示。

3  结论

本文以汽车发动机冷却风扇为研究对象，在HyperMesh中首先对风扇进行前期的几何处理、网格划分、以及静力学分析和模型优化析最后通过模态分析对优化后的模型进行验证。在发动机冷却风扇的静力学分析中，该模型大部分区域应力和位移变化量符合设计要求;在汽车发动机冷却风扇优化混的模态分析验证中，得到前6阶的模态，结果显示，比较稳定不易产生共振。最后对该汽车发动机冷却风扇进行优化设计，鉴于该模型自身结构前期的优化效果已经不错，可适当对汽车发动机冷却风扇分区域进行尺寸优化和轻量化，以节省材料，可为汽车发动机冷却风扇的结构优化设计提供参考。

参考文献：

[1]Moreau S， Bennett E. Improvement of Fan Design Using CFD[J]. SAE Technical Paper Series， No. 970934.

[2]Coggiola E，Dessale B，Moreau S.CFD Based Design for Automotive Engine Cooling Fan Systems[J]. SAE Technical Paper Series， No. 980427.

[3]Oh K. J.， Kang S. H. Effects of Backplate on the Performance of a Small Propeller Fan[J]. Transactions of the KSME， 1996， 20（4）： 1491-1500.28： 815-823.

[4]Oh K. J.， Kang S. H. A Numerical Investigation of the Dual Performance Characteristics of A Small Propeller Fan Using Viscous Flow Calculations[J]. Computer & Fluids， 1999， 28： 815-823.

[5]汪學军.前缘弯掠开式轴流风扇内流结构与特性的 PIV 实验研究[D].武汉华中科技大学，2003.