基于應(yīng)力分析的新型汽車散熱器設(shè)計(jì)

李文用

摘 要：當(dāng)前，汽車已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中不可或缺的交通工具之一。因此，需要對(duì)其加大重視程度。尤其是關(guān)于汽車散熱器，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)有著至關(guān)重要的影響。汽車散熱器容易在使用的時(shí)候出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)爆裂的現(xiàn)象。根據(jù)這樣的現(xiàn)象，對(duì)汽車散熱器進(jìn)行改進(jìn)和完善，使其能夠與汽車更匹配，從而得到更長(zhǎng)的使用時(shí)間。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力分析；汽車散熱器；數(shù)值模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車散熱器對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用著重要的作用，對(duì)其進(jìn)行一定的保護(hù)措施，防止出現(xiàn)過(guò)熱的現(xiàn)象，從而更好的運(yùn)行工作，支持汽車穩(wěn)定行駛。汽車行駛的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)同樣在運(yùn)行，處于一種振動(dòng)的狀態(tài)，從而散熱器的扁管會(huì)因?yàn)檫@樣的狀態(tài)承受著一種應(yīng)力。并且流體流速的不同容易使得應(yīng)力集中，對(duì)扁管進(jìn)行壓迫，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋或者爆裂的現(xiàn)象。因此，針對(duì)流體速度，選用了數(shù)值模擬的方式，從而對(duì)散熱器的設(shè)計(jì)做出了相應(yīng)的改進(jìn)，使其能夠提供更好的散熱效果，促使汽車得到穩(wěn)定的使用。

一、具體分析汽車散熱器應(yīng)力

汽車在行駛的時(shí)候，會(huì)逐漸的產(chǎn)生大量的熱能。因此，需要通過(guò)汽車散熱器將其散發(fā)出去，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。汽車散熱器擁有扁管，其中含有的冷卻液會(huì)自動(dòng)跟著散熱器運(yùn)行而持續(xù)循環(huán)，外部特有的風(fēng)扇對(duì)其汽車產(chǎn)生的熱能進(jìn)行對(duì)流換熱，將其帶走，從而有效的為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降溫，保證其能夠在汽車運(yùn)行的時(shí)候保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

當(dāng)前我國(guó)市面上汽車散熱器基本是由以下幾個(gè)主要成分組成的：防凍液的出入口、上下水室、主要的扁管以及散熱帶等等。在上下室的中間放置扁管，扁管中間又穿插著散熱帶，各個(gè)部分相互聯(lián)系和影響。汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致防凍液受到高溫，從而開(kāi)始從入口轉(zhuǎn)移到上水室，在通過(guò)散熱扁管的時(shí)候，扁管穿插的散熱帶開(kāi)始發(fā)揮作用，將已經(jīng)上升溫度的防凍液進(jìn)行冷卻作用。因此，流入下水室再回到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的防凍液已經(jīng)恢復(fù)冷卻的功能，可以很好的幫助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降溫，促使其能夠進(jìn)行穩(wěn)定的工作。但是，根據(jù)以往的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，汽車散熱器扁管容易出現(xiàn)裂紋或者爆裂的現(xiàn)象，尤其是高溫天氣頻繁發(fā)生，這樣的現(xiàn)象將對(duì)散熱器在使用的時(shí)候造成很大的影響，還會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命不斷剪短。

根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，對(duì)散熱器扁管裂紋和爆裂的情況進(jìn)行分析，采用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察得出，平面和彎曲的位置產(chǎn)生不同的情況和擁有不同的狀態(tài)，猜測(cè)裂紋或者爆裂是因?yàn)榫植繎?yīng)力過(guò)于集中導(dǎo)致的。

再通過(guò)對(duì)汽車散熱器基本組成和結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行分析和研究，得出產(chǎn)生應(yīng)力集中有以下兩種原因：第一，在防凍液流入上水室時(shí)候，或者從下水室流出的過(guò)程中，防凍液遇到的截面有較大的差異，因此導(dǎo)致應(yīng)力集中；第二，因?yàn)樯岜夤軗碛衅矫婧蛷澝妫瑥亩鴮?dǎo)致防凍液在進(jìn)入管道的時(shí)候，不會(huì)均勻分散液體，因此產(chǎn)生的流速也不同。最后入水口的防凍液流量大且流速快，出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)和具體的分析，可以得出散熱器當(dāng)中出入水口承受的應(yīng)力加較強(qiáng)，可達(dá)到其他位置的三倍。因此導(dǎo)致了這兩個(gè)位置附近的扁管承受更強(qiáng)的集中應(yīng)力，才容易使其出現(xiàn)裂紋和爆裂的現(xiàn)象。針對(duì)該現(xiàn)象，可以選擇以下幾種方法對(duì)應(yīng)力集中的現(xiàn)象進(jìn)行緩解：對(duì)散熱器當(dāng)中的扁管形狀進(jìn)行改變、將應(yīng)力集中的位置增加多重保護(hù)、引導(dǎo)和設(shè)置應(yīng)力集中因素的位置和方向以及適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行削減和填充等方法。

二、基于應(yīng)力分析的新型汽車散熱器設(shè)計(jì)

想要讓散熱器當(dāng)中的扁管應(yīng)力得到有效減弱，需要對(duì)防凍液的進(jìn)行控制，從而得到均勻的流體流速。根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象，對(duì)傳統(tǒng)的散熱器的上下水室加入一個(gè)新的部分——整流罩。致使冷卻液在經(jīng)過(guò)時(shí)保證均勻的流速，更好的達(dá)到散熱功能，促使汽車得到穩(wěn)定的運(yùn)行。

汽車散熱器加入了整流罩，整流罩的上部分則根據(jù)和入水口的距離設(shè)置相匹配的整流孔，根據(jù)整體的寬度整齊分布六行小孔，并呈現(xiàn)正比例或者等差數(shù)列排布的現(xiàn)象。整流罩下部分則根據(jù)和出水口的距離設(shè)置相適應(yīng)的整流孔，具體的設(shè)置按照上部分的規(guī)定進(jìn)行設(shè)定。

三、Fluent數(shù)值模擬以及相關(guān)的優(yōu)化分析

（一）計(jì)算域區(qū)域的最終確定和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

根據(jù)汽車散熱器的新型設(shè)計(jì)，從而對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的模擬分析。如計(jì)算區(qū)域，則是對(duì)汽車散熱器內(nèi)液體的流動(dòng)范圍，選擇合適的k.ε湍流模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

（二）數(shù)值模擬仿真

在傳統(tǒng)的處理器當(dāng)中設(shè)計(jì)出散熱器的模型，但是傳統(tǒng)的散熱器很難控制冷卻液在扁管當(dāng)中的流量和流速，尤其是在出入上下水室的時(shí)候。根據(jù)新型的汽車散熱器設(shè)計(jì)，自處理器當(dāng)中加入整流罩的模型，并重新開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析。通過(guò)多次不同的模擬操作，得出最精準(zhǔn)的模擬數(shù)據(jù)，使其能夠得到最佳的數(shù)值和結(jié)果。

（三）分析和研究仿真結(jié)果

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和模擬數(shù)據(jù)得到仿真效果可以得出，汽車散熱若是缺少了整流罩這一部分，冷卻液很容易在扁管出入水室的部分進(jìn)行堆積，從而加大流速，產(chǎn)生了應(yīng)力集中，導(dǎo)致扁管出現(xiàn)裂紋或者爆裂的現(xiàn)象。而加入了整流罩的設(shè)計(jì)之后，則會(huì)對(duì)扁管啊當(dāng)中的液體流量和流速進(jìn)行控制，使其能夠均勻的流動(dòng)，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

四、實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證

想要確保新型汽車散熱器能夠得到效果，僅憑實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是不足夠的，還需要將其進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，從而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。將新型的汽車散熱器即加入了整流罩的散熱器安裝于汽車之內(nèi)，再開(kāi)啟汽車，進(jìn)行不同方向的振動(dòng)。通過(guò)幾次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。并且檢查散熱器內(nèi)的扁管現(xiàn)象，查看是否出現(xiàn)裂紋或者爆裂的現(xiàn)象，這樣則可以通過(guò)實(shí)際的測(cè)試結(jié)果，得出加入整流罩設(shè)計(jì)的新型汽車散熱器能夠有效為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行降溫，還可以防止內(nèi)部扁管出現(xiàn)裂紋或者爆裂的情況。

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