商用車壓鑄鋁合金冷凝器支架優化設計

劉嬌霞， 崔 震， 張烈明， 王 娜， 王春迎

（浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司 汽車研究院， 山東 日照 276800）

0 引言

隨著運輸行業的快速發展， 載貨汽車的銷量也大幅增長。同時節能減排的環境保護理念不斷發展，對于汽車輕量化的要求越來越高[1]，因此各大車企紛紛花大力氣節能降耗。汽車輕量化無疑是實現節能降耗的主要途徑之一。冷凝器是空調系統重要組成部分，其強度、剛度、穩定性等性能對于整車冷卻功能的正常使用有著基礎性影響[2]，合理的冷凝器支架結構， 會有效的保證冷卻系統功能的高效使用[3]。同時進行材料和結構的優化能夠獲得更多的降重空間[4]。 傳統的冷凝器多為Q235A 材料沖壓成型，振動明顯，且容易發生斷裂。結構的失效大多發生在應力集中區域。 本文利用Hypermesh 軟件采用拓撲優化的方法全新設計YL104 壓鑄鋁合金冷凝器支架，同時綜合考慮其它相關性能要求，去除多余材料使材料合理分布。不僅有效的降低應力集中從而減輕了支架重量， 同時提升了剛度、模態、強度等性能，對于商用車輕量化設計具有重要的指導意義。

1 原結構冷凝器支架強度、剛度、模態分析

1.1 基礎載荷獲取

冷凝器支架所承載的冷凝器總成重量為7.335kg，因此支架所承受的力為73.35N。 冷凝器總成的質心坐標為（-674.289，566.716，-170.115）（基于整車坐標系）。

1.2 工況研究

1.2.1 五種典型工況

根據冷凝器支架實際的載荷情況，選取沖擊、加速、后退、左轉、右轉五種典型工況進行冷凝器支架的CAE 分析，具體工況描述參見表1。模型簡化的約束條件為：支架與車架連接孔固定約束，見圖1。

表1 五種典型工況Tab.1 Five typical working conditions

圖1 原結構模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of the original structure model

1.2.2 負載模態分析

計算原結構的前六階負載模態。

1.3 分析結果

圖2～圖6 為五種典型工況的分析結果，沖擊工況時，冷凝器支架的Mises 應力和位移最大， 分別為32MPa 和0.33mm，一階負載模態為137Hz。

圖2 原結構五種工況最大Mises 應力Fig.2 Maximum mises stress of the original structure under five working conditions

圖3 原結構五種工況最大位移Fig.3 Maximum displacement of the original structure under five working conditions

圖4 原結構沖擊工況Mises 應力Fig.4 Mises stress under impact condition of the original structure

圖5 原結構沖擊工況位移Fig.5 Displacement under impact condition of the original structure

圖6 原結構一階負載模態Fig.6 First-order mode of the original structure with load consideration

雖然此原結構滿足基本的使用要求， 但是重量為2.31kg，較笨重。為了商用車輕量化的需求，對冷凝器支架進行拓撲優化，設計新材料新結構。

2 拓撲優化

對冷凝器支架建立拓撲原模型（拓撲原模型建立的準則：只要不干涉的地方盡量補全材料）。約束：體積分數為0.4，目標：加權應變能最小。 表2為拓撲原模型和拓撲結果。

表2 拓撲原模型和拓撲結果Tab.2 Original model and results of topology optimization

3 新結構設計

根據最終拓撲結果，綜合考慮壓鑄工藝方面，設計新結構見圖7。

圖7 冷凝器支架新結構Fig.7 New structure of condenser bracket

出于輕量化的考慮，冷凝器支架新結構采用YL104 壓鑄鋁合金。 材料參數：彈性模量69GPa，泊松比0.33，密度2.7×103kg/m3，抗拉強度220MPa， 斷裂延伸率2%。

4 新結構CAE 分析

載荷工況與原結構CAE 分析時保持一致。 圖8～圖12 為五種典型工況新結構的分析結果，可以看出，沖擊工況時新結構的Mises 應力和位移最大，分別為8.9MPa 和0.069mm，一階負載模態為354Hz。

圖9 新結構五種工況最大位移Fig.9 Maximum displacement of the new structure under five working conditions

圖10 新結構沖擊工況Mises 應力Fig.10 Mises stress under impact condition of the new structure

圖11 新結構沖擊工況位移Fig.11 Displacement under impact condition of the new structure

圖12 新結構一階負載模態Fig.12 First-order mode of the new structure with load consideration

5 對比分析結果匯總

對比分析結果見表3。 通過表3 可以看出，冷凝器支架新結構比原結構重量降低46%，安全系數提升112.9%。

表3 冷凝器支架新結構與原結構理論分析結果對比Tab.3 Comparison of theoretical analysis results between the new structure and the original structure of condenser bracket

6 新結構性能試驗

6.1 臺架振動試驗

為驗證冷凝器支架新結構防振動功能是否達標，利用MPA406 型號的電磁振動試驗臺對冷凝器總成在常溫、常濕環境下進行臺架振動試驗，試驗參數見表4。 試驗照片見圖13 和圖14。 經過兩天的振動試驗，檢查冷凝器支架新結構沒有斷裂、變形、損壞現象。

表4 振動試驗參數Tab.4 Parameters of vibration bench test

圖13 振動試驗整體圖Fig.13 Overall picture of vibration bench test

圖14 振動試驗支架圖Fig.14 Bracket picture of vibration bench test

6.2 可靠性試驗

為驗證冷凝器支架新結構的可靠性，搭載在整車上進行整車可靠性試驗，試驗按照企業的整車可靠性試驗規范進行。 試驗結束檢查冷凝器支架新結構，無斷裂、變形、損壞現象發生。 圖15 為經過可靠性試驗之后的支架照片。

圖15 經過可靠性試驗的冷凝器支架新結構Fig.15 New structure of condenser bracket after reliability test

7 結論

本文利用拓撲優化的方法對冷凝器支架進行結構優化， 并出于輕量化的考慮采用質量更輕、 性能較好的YL104 壓鑄鋁合金材料。

冷凝器支架新結構比原結構強度、 剛度等性能都有明顯提升。安全系數提升112.9%。有效的避免了汽車行駛過程中冷凝器總成振動明顯的現象。同時重量降低46%，符合商用車車輕量化的需求。

壓鑄鋁合金材料相比傳統鑄造工藝具有較高的精度，材料利用率高。應用于商用車冷凝器支架不僅能顯著降低重量而且能有效的保證性能。 壓鑄鋁合金材料在商用車行業的廣泛應用對于降低整車重量、降低油耗、提高燃油經濟性能具有重要意義。

新設計的冷凝器支架通過了臺架振動試驗和整車可靠性搭載試驗， 應用拓撲優化的方法進行結構的設計是指導設計創新、保證設計結果可靠度的重要手段。