某新能源卡車空調機組的模態及諧響應分析

張克鵬 熊勻均 蔡培裕

浙江盾安人工環境股份有限公司 浙江杭州 310000

1 前言

新能源商用汽車的空調機組是保證車內乘員舒適性以及車輛行駛熱平衡的重要系統，一方面其作為車輛的空調動力源頭，為汽車乘員艙提供制冷功能；另一方面，新能源汽車的電池也需要空調冷媒做強制冷卻。因此，新能源車用空調機組的可靠性就顯得尤為重要。空調機組與車輛固定在一起，空調機組會受到車輛行駛過程中的各種激勵載荷，國標GB/T 21361-2017《汽車用空調器》對汽車用空調器振動試驗的要求作了明確規定。

隨著計算機硬件水平的提升和計算資源的擴展，仿真技術在制造業領域得到快速發展，開發工程師可以更加快速和準確地建立物理模型，對特定工況的物理現象進行快速仿真分析，得到所需的結果，縮短研發周期，節省試驗等成本。本文利用HyperWorks網格處理模塊HyperMesh對某新能源卡車空調機組進行三維有限元網格精確劃分，之后利用其自帶求解器OptiStruct進行機組模態和諧響應分析。根據模態分析結果判定空調機組的固有頻率是否與載荷頻率產生共振，導致共振破壞；再根據國標GB/T 21361-2017《汽車用空調器》中的工況要求進行諧響應分析，判斷工況頻率激勵下最大應力是否超過材料強度，設計方案是否滿足要求。

2 車用空調機組的網格劃分

利用三維設計軟件CATIA建立如圖1所示的幾何模型，其分布質量與實際一致。所建立的模型簡化了實際機組的某些細節特征，以提高有限元前后處理和求解效率。簡化原則是在保證原有結構力學性能不發生改變的前提下，對非關鍵區域的特征及試算中應力水平較低的部件，可以予以忽略。為便于三維模型的網格劃分，三維模型完成后，另存為中間格式.STEP導出，STEP是國際標準化組織（ISO）所屬技術委員會制訂的國際統一CAD數據交換標準，大部分三維仿真軟件都支持這種輸入數據格式。

圖1 某車用空調機組

針對空調機組，將三維設計軟件CATIA中生成的三維幾何模型導入到Hyper Works的網格處理模塊HyperMesh中[1]。在進行網格劃分時，對鈑金結構、管路等薄壁件進行中面抽取，并對抽取的中面做幾何清理，單元類型采用CTRIA3和CQUAD4；對于破壞風險較低且內部結構復雜的非考核部件，如壓縮機等用殼單元+附加質量模擬，質量點與周邊結構用REB3單元鏈接。設置網格基本尺寸設為10 mm；螺母位置用washer建模，螺栓用CBEAM替代并用RBE2單元鏈接起來。模型共計有64 099個節點和67 500個單元，該新能源卡車空調機組有限元模型如圖2所示，內部局部細節圖如圖3所示。

該新能源卡車空調機組模型的有限元網格劃分后，需要對該空調機組模型的屬性進行定義，屬性包括材料、單元類型，如果是殼單元，還需要定義其單元厚度。材料屬性定義如表1所示，其中鈑金框架、安裝腳、內部管路等金屬件的材料為碳鋼Q235B，風扇的材料為ABS塑料。

圖2 車用空調機組有限元模型

圖3 車用空調機組內部局部有限元模型

表1 車用空調機組材料屬性

3 新能源卡車空調機組的模態分析

機組的振動特性與其固有頻率特性相關，當所受載荷頻率接近機組的固有頻率時，即使載荷振幅不是很大，但由其引起的共振現象也會給機組帶來很大響應，并由此導致機組破壞。對新能源卡車空調機組進行模態分析，可以得到空調機組各階固有頻率大小和相應陣型圖。模態分析是模態疊加法諧響應分析必需的前期分析過程。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用，是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法[2]。本次分析采用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器及分塊Lanczos方法進行求解。

某新能源卡車空調機組的安裝固定情況如圖4所示。在機組的兩個側面有一個安裝固定支架與空調機組進行連接，每側安裝支架各有2個螺栓孔與車輛其他部位固定連接，約束螺栓孔處節點的1～6自由度。

圖4 車用空調機組的安裝腳約束示意圖

GB/T 21361-2017《汽車用空調器》振動試驗方法中規定振動試驗頻率為33 Hz。在HyperWorks平臺的OptiStruct環境下，設定共計算10階模態，得到如表2所示模態頻率值，圖5為該新能源卡車空調機組前4階模態振型圖。

該新能源卡車空調機組通過安裝支架與振動試驗臺相連，第8階模態頻率和GB/T 21361-2017《汽車用空調器》振動測試方法中規定的試驗頻率33 Hz接近，要避免發生共振現象。

4 新能源卡車空調機組的諧響應分析

諧響應分析是線性結構在周期載荷下的穩態響應，通過諧響應分析，得到結構響應隨著頻率變化的規律，通過響應隨頻率變化規律可以分析結構的動力特性，并由此驗證結構設計是否能克服共振、疲勞及其他受迫振動引起的有害效果。諧響應分析計算結構在不同頻率下的響應，可以觀察到峰值響應頻率對應的應力。諧響應分析是線性分析技術，任何非線性特性將被忽略。本次分析采用OptiStruct求解器及模態疊加法進行求解。

圖5 車用空調機組前4階振型云圖

4.1 載荷邊界條件

按GB/T 21361-2017《汽車用空調器》振動測試方法的規定，新能源卡車空調機組的振動載荷為振動加速度，33 Hz時的加載方向和載荷大小如表3所示。

表3 新能源卡車空調機組加載方向和載荷大小

4.2 諧響應分析

通過車用空調機組的模態分析，對其施加加速度激勵載荷和載荷步(包括諧響應分析的頻率、載荷子步數)后進行諧響應分析。

圖6～8為新能源卡車空調機組在激勵頻率33 Hz時3種工況下的應力云圖。

圖7 33 Hz垂向Y工況應力云圖（應力/MPa）

圖8 33 Hz縱向Z工況應力云圖（應力/MPa）

從云圖結果來看， 在X方向載荷工況下，最大應力的位置出現在空調機組箱體鈑金框架上，應力值為35.33 MPa；Y方向載荷工況下，最大應力的位置出現在空調機組內部件板件上，應力值為64.41 MPa；Z方向載荷工況下，最大應力位置出現在空調機組底板與壓縮機支架連接附近，應力值為288.9 MPa，最大應力超過材料屈服強度，有破壞風險，需要在該位置進行結構加強設計。

5 結論

文章應用三維設計軟件CATIA建立了某新能源卡車空調機組的幾何模型，利用HyperWorks商用仿真平臺的Hyper Mesh對此三維幾何模型進行網格劃分；用HyperWorks平臺的OptiStruct求解器對空調機組進行模態分析和諧響應分析。分析表明，機組存在與測試頻率33 Hz接近的模態頻率，在Z向加速度激勵載荷下，機組最大應力超過材料屈服強度，機組強度不滿足設計要求。后期還需進行優化設計，避開共振區域，加強設計薄弱區域，滿足振動測試強度要求。