基于OptiStruct 的某微通道換熱器熱應力分析

文|浙江盾安人工環境股份有限公司 張克鵬

一、概述

空調制冷系統中的換熱器主要有冷凝器和蒸發器兩種，其中這兩個部件也是壓縮制冷循環中不可或缺的基本部件。冷凝器的作用是將高溫高壓的冷媒熱量通過熱交換傳遞給室外環境；而蒸發器的作用是將低溫低壓的冷媒的冷量通過熱交換傳遞給內部空氣，并帶走一定量的空氣中的水蒸氣。微通道換熱器是基于微尺度效應的一種新型高效換熱器，借助特殊的加工工藝，以固體基質制造的可用于進行熱量傳遞的三維結構單元，目前廣泛應用于汽車空調行業等領域。

本文是以某冷凝器為研究對象，考慮了微通道換熱器在溫度載荷下的約束，利用HyperWorks 軟件對結構整體溫度場進行數值分析，分析過程中考慮了扁管、集流管、支架和管座之間的相關連接關系和約束關系，建立詳細有限元模型，用OptiStruct 求解器計算得到給定溫度載荷下的熱應力分布和變形，判定設計方案的可靠性和合理性。

二、微通道換熱器的有限元模型建立

通過CATIA 建立微通道換熱器的三維實體模型，如圖1 所示。為便于有限元前處理，將模型導出為.stp 格式。

圖1 某微通道換熱器三維模型

針對該微通道換熱器模型，文章采用主流CAE 前處理軟件HyperMesh 進行網格劃分。在進行網格劃分時，微通道換熱器所有部件均用四邊形單位，單元類型為CQUAD4， 單元基本尺寸設為3mm，各個部件之間連接采用共節點。最終有限元模型共有節點數為405 392，單元數為461 174。微通道換熱器有限元模型如圖2 所示，局部放大圖如圖3 所示。

圖2 微通道換熱器有限元模型

圖3 微通道換熱器有限元模型局部放大圖

三、建立熱力耦合模型

1、傳熱分析原理

傳熱分析是指在熱載荷作用下，求解結構的熱流量和溫度。熱流量表征了熱量流動的快慢，溫度表征了可用熱量的多少。熱傳遞的熱量交換是通過峰值運動實現的，固體與其周圍的流體通過自然對流進行熱量交換。熱載荷通過進出熱流量的大小定義。

材料的線性是線性穩態分析的基本條件，主要考察熱平衡穩態時結構的熱流量和溫度。傳熱方程如下：

式中，（Kc）是傳熱系數矩陣，（H）是自然對流的邊界換熱系數矩陣，{T}是未知的節點溫度，{P}是熱載荷向量。求解系統的線性方程可以得到節點溫度。

熱載荷向量的方程表達式如下：

式中，{PB}是邊界熱通量功率，可以在OptiStruct 求解器的QBDY1 中定義；{PH}是自然對流的對流向量，在CONV 卡片中定義；{PQ}是內部生熱的功率向量，在QVOL卡片中定義。

在沒有定義溫度邊界條件的情況下，方程式（1）左邊的矩陣是奇異的。利用高斯消元法求解平衡方程得到未知溫度。高斯消元法利用矩陣的對稱性和稀疏性提高了計算效率。計算出節點處的溫度后，就可以根據單元的形函數計算出溫度梯度{VT}。單元的熱流量可以利用下式計算：

式中，[k]是材料的傳熱矩陣。

2、熱力耦合

在結構分析過程中，傳熱工況通過定義 TEMP（LOAD）卡片引用溫度信息，進行熱-結構耦合計算。結構強度分析和傳熱分析中，溫度信息的 ID 默認一致，通過修改 TSTRU 卡片來改變ID 溫度信息。

熱-結構耦合分析的流程為：通過傳熱分析獲得結構溫度場，將其作為結構分析載荷的一部分。采用簡化的有限元網格一起進行熱和結構分析。

靜力結構分析的控制方程如下：

式中，[K]是剛度矩陣；{D}是位移矢量；{f}是結構載荷；{fT}是溫度載荷。

熱-結構計算的耦合是先后順序的，熱分析影響結構分析，而結構分析通常對熱分析沒有影響。

四、計算設置

1、材料設定

微通道換熱器各部件材料分別為：扁管為9153 鋁，翅片、管座、隔板和端蓋為3003 鋁，集流管為3005 鋁，支架為6005 鋁，材料屬性具體參數(20 ～100℃)如表1 所列。

2、約束和載荷

熱傳導邊界初始溫度為20℃，工作過程中加熱到50℃。熱應力分析邊界條件如圖4 所示，約束安裝支架螺栓孔的1～6 自由度。分析過程需要同時創建一個傳熱工況和結構分析工況，先進行熱傳導分析，進而進行熱應力分析。

表1 微通道換熱器材料屬性

圖4 微通道換熱器約束示意圖

五、計算結果

文章利用HyperWorks 平臺OptiStruct 求解器進行熱-結構耦合分析， 圖5 為微通道換熱器熱應力云圖，從圖中可以看出，最大應力在集流管與安裝支架連接處，集流管最大應力為91.2MPa，低于材料屈服強度147MPa。安裝支架最大應力為57.1Mpa，高于其材料的屈服強度50MPa，存在破壞風險。

圖5 微通道換熱器熱應力云圖

圖6 為微通道換熱器熱變形云圖，從變形云圖可以看出，變形比較大的位置主要為微通道換熱器四個角位置以及中間安裝約束位置，其中最大變形量為0.915mm，發生在集流管底部。

圖6 微通道換熱器變形云圖

六、結論

文章以某空調微通道換熱器為研究對象，運用三維設計軟件建立了設計模型，利用HyperMesh 進行有限元模型建立，最后用OptiStruct 進行熱-結構計算分析。分析表明，熱應力最大位置為集流管與安裝支架連接處，安裝支架的最大應力為57.1Mpa，超過材料屈服強度，在后續設計中需要加強改進；最大變形發生在集流管底部，變形量為0.915mm。