基于HyperMesh的汽車發動機冷卻風扇有限元分析

陳凱

摘要：發動機風扇因其在冷卻系統中的重要性而備受關注，但扇葉的斷裂也使設計者備受困擾，同時給使用者也帶來諸多的麻煩。針對以上問題，在HyperMesh中首先對風扇進行前期的幾何處理、網格劃分、以及靜力學分析和模型優化析最后通過模態分析對優化后的模型進行驗證等完成發動機冷卻風扇的有限元分析，結果表明：模態分析的前六階的振動頻率和主振型都比較穩定證明優化的可行性。進而提高風扇的靜力學性能，改善風扇的工作質量。

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.

關鍵詞：HyperMesh;汽車發動機冷卻風扇;模態分析;振動頻率;主要振型

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

中圖分類號：U463.32? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）02-0024-02

0? 引言

隨著科技的發展汽車在我們的生活中扮演著越來越重要的角色，這也就要求著汽車必須具備更加優秀的性能，其中冷卻系統優劣至關重要;但發動機風扇的斷裂問題長期困擾使用者和廠家，國內外專家也對此做了大量的研究。1997年S.Moreau等[1，2]首次應用流體力學展開對發動機風扇的研究，大大的縮短了開發時間;1999年Roy.S等[3，4]應用CFD技術對優化后的七葉風扇進行仿真，驗證了有限元方法的有效性;2003年王學輝等[5]應用CFD技術對風扇進行數值模擬，證明了CFD技術有效改善風扇系統的設計;本研究通過應用限元分析軟件HyperMesh對風扇進行幾何處理、網格劃分、以及靜力學分析和優化等完成發動機冷卻風扇的有限元分析提高風扇的力學性能。

1? 發動機冷卻風扇有限元模型

在三維建模軟件Catia中完成發動機冷卻風扇的建模，通過HyperMesh的專門接口導入模型文件，可以確保該模型不會出現失真現象。模型坐標系采用OXYZ直角動坐標系，在模型水平方向上，X軸平行水平地面指向前方，XOZ確保模型在平面內左右對稱，Y軸指向模型右方，Z軸通過風扇主軸指向上方;圖1為冷卻風扇的三維模型。

在HyperMesh軟件中導入冷卻風扇的三維模型文件，應用midsurface中面提取功能，提取模型的中面，因為從軟件中得到的中面幾何質量比較差存在著小孔、圓角、倒角等問題，所以模型在進行有限元分析之前，要先進行幾何處理，以減小其他因素對分析結果的影響。幾何清理工作主要包括細小孔、圓角以及面與面之間倒角等部位的去除。在補孔前對模型提取面，再通過生成臨時節點來測量模型中小孔的半徑，以便進行后續清理工作。前期處理是為了是模型網格的劃分更加順利的進行，使模型能夠在更合理的區域內劃分網格，提高模型網格劃分的質量，奠定后續的分析計算;劃分網格首先采用軟件自動網格生成工具進行劃分，因四邊形殼網格單元的質量最好所以以四邊形殼網格單元為主要的單元形態，三角形單元質量較差，所以如果必須使用三角形時盡量使用較少的三角形單元，從而避免局部剛性過大的問題。自動網格劃分完成后，對模型網格進行檢查，若有部分區域網格劃分效果不太理想，則手動進行調整，以得到盡可能合理的有限元分析網格模型。如圖2所示。

2? 分析

2.1 靜力分析

完成模型導入和網格劃分之中的所有步驟后建立載荷步loadstep然后提交Optistruct，將run option欄改為analysis，最后點擊Optistruct得到如圖3靜力分析云圖。

然后進行模型的優化，在完成靜力分析的基礎上定義設計變量在analysis中打開optimization，在topology模塊中定義變量;然后在responses中定義響應變量在該模塊中分別定義質量vol和位移dis，接著是在objective中定義目標，在deonstraints中施加約束，最后提交將run0ption欄改為optimization，點擊optistruct得到如圖4優化云圖。

2.2 模態分析

本次模態分析設置為六階模態，模態分析步驟與靜力分析相似首先定義好材料屬性然后定義和施加約束建立模態分析卡片最后建立載荷步提交得到分析云圖。模態分析結果云圖如圖5所示。

3? 結論

本文以汽車發動機冷卻風扇為研究對象，在HyperMesh中首先對風扇進行前期的幾何處理、網格劃分、以及靜力學分析和模型優化析最后通過模態分析對優化后的模型進行驗證。在發動機冷卻風扇的靜力學分析中，該模型大部分區域應力和位移變化量符合設計要求;在汽車發動機冷卻風扇優化混的模態分析驗證中，得到前6階的模態，結果顯示，比較穩定不易產生共振。最后對該汽車發動機冷卻風扇進行優化設計，鑒于該模型自身結構前期的優化效果已經不錯，可適當對汽車發動機冷卻風扇分區域進行尺寸優化和輕量化，以節省材料，可為汽車發動機冷卻風扇的結構優化設計提供參考。

參考文獻：

[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]汪學軍.前緣彎掠開式軸流風扇內流結構與特性的 PIV 實驗研究[D].武漢華中科技大學，2003.