發動機散熱器壓力載荷失效分析

羅寅

（同濟大學 汽車學院，上海 200092）

1 散熱器壓力載荷失效模式與分析前處理

散熱器主要作用是將發動機運轉過程中產生的多余熱量傳遞至空氣中，使發動機工作在適合的溫度范圍內。由于散熱器安裝位置位于發動機艙前端，除各種路況下的顛簸外，還時刻面臨來自沙石打擊的威脅；同時，散熱器內部又易受到冷卻液壓力交變、突變，水溫過熱等不利因素的威脅。所以散熱器適用性評價總是圍繞可靠性展開。

本文將以散熱器壓力循環載荷作為研究工況，通過分析典型失效模式獲得成因，為解決散熱器可靠性問題探索出一套行之有效的方法。

車輛正常行駛中，冷卻液壓力不超過1bar（表壓，下同），但考慮極限工況，試驗最高壓力將遠超過1bar。本文壓力循環試驗邊界如表1所示，按25萬次循環進行，前20萬次循環壓力保持在0.3～1.8bar內（循環一），后5萬次循環壓力保持在0.3～2.4bar內（循環二）。

表1 散熱器壓力循環試驗工況

試驗結果顯示，散熱器在循環一范圍內運行無任何異常，壓力加載與釋放符合工況設定，且拆下散熱器水檢未見任何泄漏。但繼續進行循環二至近5萬次時，試驗臺發出低壓報警，拆機水檢發現散熱器出現泄漏，漏點位于主片與水室咬邊接合處，靠近進水口位置。肉眼觀察發現主片與水室扣壓咬邊的地方出現形變，咬邊接合處已打開，分析密封圈未被有效壓縮，密封面出現破壞，從而導致散熱器出現泄漏，該失效模式在壓力循環試驗中較為常見。

散熱器壓力循環疲勞耐久性研究技術路線如圖1所示，主要分析手段為計算機輔助有限元分析。

圖1 散熱器壓力循環耐久性研究技術路線圖

進行有限元計算前需將分析件的三維數模分成很多小單元，針對重要部件的模型，為提高計算精度，其網格還必須細化。而對于非關鍵區域網格，為節省計算時間，可適當放大單元。前期，散熱器三維模型已創建完成。將其導入前處理軟件后，先要對散熱器數模進行幾何清理，刪除無關緊要的倒角、圓角和一些重合邊，使數模盡量簡化，劃分網格更加方便。但幾何清理需注意有限元數模與幾何數模的結構一致性。其中：

水室的幾何結構較為復雜，劃分六面體小單元比較困難，故采用四面體單元劃分水室有限元模型；

主片的結構也略復雜，但作為壓力循環試驗的主要失效部件，是有限元分析的重點，故采用六面體單元劃分主片有限元模型；

對于扁平細長散熱管與散熱翅片焊接接觸區域，一定密度的散熱翅片起到支承作用，增加了散熱管結構剛度，所以該區域對結構壽命有正向影響，可以適當簡化模型以減少運算時間。

有限元計算采用的節點總數為2,578,715個。

散熱器在壓力循環試驗臺中的安裝方式與整車環境相同，為使仿真結果更接近實際，約束方式應盡量與臺架試驗相匹配。

由前述，在散熱器內部施加2.4bar的均布靜載荷作為壓力邊界，以便分析得到單位載荷的結構應力場。

針對線彈性分析，采用標準接觸定義類型，載荷步設置由腳本自動生成。

2 仿真結果與失效分析

2.1 仿真結果

散熱器迎風面與背風面的整體位移最大位移區域出現在進水室迎風面靠近進水管處，該區域與主片張開位置大致相同，初步復現出失效模式。進水室在靠近進水管的迎風面局部區域上受較大壓力，材料受迫膨脹形變，并壓迫主片。

受水室膨脹壓迫影響，主片中下沿（咬邊區）應力值普遍高于上沿，峰值應力出現在水室最大膨脹區域即進水口附近，有的接近循環25萬次對應的許可應力，有的甚至超出了許可應力。在這樣的峰值應力作用下，主片咬邊在該區域受迫有向外張開的趨勢。對照臺架試驗結果，主片在該位置張開而樣件出現泄漏失效。

2.2 成因分析

當散熱器內部受到2.4bar的壓力時，水室各部分均受到影響出現不同程度地膨脹，其中最大膨脹區域位于水室迎風面靠近進水口附近。這是因為水室的內腔為拱形，外部的壓力隨冷卻液由進水口進入水室后，最大位移區域內的這部分水室起到了阻礙冷卻液流動和壓力傳遞的作用，承受了大部分冷卻液的沖擊，故膨脹位移最大。水室膨脹后，主片咬邊處受迫出現張開的趨勢，這導致主片下沿咬邊區的應力集中，故水室膨脹最大位置對應的主片咬邊區應力等于甚至超過等效許可應力，從而造成主片局部區域出現嚴重外張的塑性形變。隨著循環次數不斷增加，疲勞積累，該區域塑性形變程度越來越大，最終造成主片張開一定程度后與水室之間失去密封，散熱器樣件泄漏。

3 總結

本文選取散熱器可靠性試驗中的壓力循環試驗作為研究邊界，介紹試驗特性與試驗（失效）結果，針對失效模式提出了技術路線，并分析了成因，完成了失效分析。