汽車前端冷卻模塊熱應變與其車載壽命等效研究

關鍵詞：冷卻模塊；熱疲勞；S-N 疲勞曲線；Miner 法則；韋布分布；疲勞等效

0 前言

汽車前端冷卻模塊由散熱器、冷卻風扇、空調冷凝器和管道組成，用于控制發動機溫度，在發動機正常運行中起著重要作用。該模塊長時間在高溫環境和復雜工況下運行，容易引起熱應變，導致模塊結構變形、密封失效和材料疲勞，影響其性能和使用壽命。

外界因素如振動、沖擊和化學腐蝕也會影響冷卻模塊的壽命。應力累積和損耗導致冷卻模塊功能降低、破裂和失效，帶來故障和安全風險。

研究冷卻模塊熱應變和壽命對設計改進、材料選擇和維護計劃制定至關重要。研究冷卻模塊在不同條件下的熱應變特性有助于提高其可靠性和耐久性；研究冷卻模塊壽命可幫助制定準確的維護計劃和預測模型，減少經濟損失和安全隱患［1］。

有關疲勞壽命的研究需要經歷觀察、試驗、定量描述等階段。試驗揭示了不同應力幅下的疲勞壽命曲線，提出了數學模型如Miner 法則、Coffin-Manson 關系和Paris 定律，用于預測疲勞壽命。同時，模型中納入了溫度梯度、熱應變和循環頻率等因素［2］。

本文以某型號乘用車前端冷卻模塊為研究對象，結合失效位置和有限元分析（FEA）確認薄弱點。應變片粘貼于薄弱點，測量與原定測點的相對距離，計算應力集中系數。通過試車場和實驗室測試獲取應變數據，利用損傷等效原則確定等效工況和循環次數。對比試車場和實驗室測試結果確認壽命等效效果。

1 測點確定

對某型號汽車的前端冷卻模塊進行計算機輔助工程（CAE）分析，其三維模型如圖1 所示。

本文采用Ansys 軟件對冷卻模塊三維模型進行網格劃分。一般情況下冷卻模塊承受熱應力最大且最頻繁的部件是水箱部分，因此水箱就成為了FEA 的主要對象，其模型如圖2 所示。根據經驗，水箱熱疲勞失效的位置主要位于冷卻管根部與主板連接處，因此對冷卻管根部的網格做了加密處理。冷卻管的網格類型采用正六面體單元，水室的網格類型采用四面體單元，冷卻管根部網格局部加密如圖3 所示。

本試驗條件下（溫度10～100 ℃ ，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min）的溫度云圖如圖4 所示，應變云圖如圖5 所示。

根據上述的CAE 分析結果，并結合工程實際，最終將應變片的測點位置定在水箱進口側的第9 根、第10 根冷卻管處，測點與冷卻管根部的距離定義為6 mm。

2 試驗過程

2. 1 應變片布置

一般來說，當可以或者易于直接測量時，應變片的位置優先考慮布置在產品的最大應變處。因為最大應力位置是產品的薄弱點或是失效起點，當其出現失效時，產品的失效時間（壽命）也就明確了。由于冷卻管根部位置難以粘貼應變片，最終決定將應變片貼在距離冷卻管根部一定距離的位置，并利用應力集中系數計算到冷卻管根部的應變。應變片貼片盡量選在冷卻管應變變化相對平滑的位置以減小誤差。應變片實際的貼片位置分別位于水箱進水側第1 根、第9 根、第10 根冷卻管，以及出水側第1 根冷卻管處，如圖6 所示。應變片實拍如圖7 所示。

2. 2 試車場測試

將貼有應變片的1 個水箱樣件布置在整車上，根據整車工況定義及配比，進行不同工況下溫度、應變數據的采集。試車場測試的部分工況下不同測點的應變數據如圖8～圖11 所示。

2. 3 實驗室測試

基于試車場測試的溫度、應變等數據，并結合該水箱產品失效機理，確定造成該水箱失效的主要原因為熱疲勞失效。因此，應變測試的實驗室測試在冷熱循環耐久試驗臺架上進行。

將在試車場進行過應變數據采集的水箱樣件安裝在實驗室內水箱冷熱循環試驗臺架上進行應變測試。在實驗室內定義不同的測試工況，如溫度范圍、試驗流量等，分別測試其應變數據，測得相應工況的應變數據如圖12～圖15 所示。

3 疲勞損傷計算

3. 1 疲勞損傷理論

疲勞損傷理論可歸結為兩大類：線性損傷理論和非線性損傷理論。其中，最具代表性的線性損失理論就是Miner 法則、修正Miner 法則，以及相對Miner 法則；非線性損傷累積理論主要有Manson 雙線性累積理論、Corten-Dolan 理論等。雖然Miner法則不能考慮疲勞載荷的先后順序，但是由于產品的疲勞壽命具有一定的分散性，而線性損傷計算方法可以基本反應出結構壽命的中位水平，處理數據也較為方便，因此該方法是目前工程中的一種常用方法。

3. 2 循環次數計算結果

基于該水箱在試車場不同工況下采集到的應變數據，通過疲勞損傷理論計算出對應的疲勞損傷，并通過試車場驗證目標，得到該水箱產品試車場對應的總損傷。計算后發現進水側第9 根及第10 根冷卻管損傷較大，分別為0.552 4 和0.526 7，此處出現失效的概率相對較大。因此，數據分析聚焦在這2 個測點。

使用在試車場進行應變數據采集的樣件，在實驗室內不同工況下進行應變數據采集，并對不同工況下應變數據進行分析，選取工況為：溫度-5～104 ℃，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min。實驗室內進水側第9 根冷卻管單個循環的疲勞損傷為0.000 067 8，進水側第10 根冷卻管單個循環的疲勞損傷為0.000 065 5。為了保證實驗室內臺架試驗能夠等效復現試驗對象在試車場的損傷，需要保持兩者總損傷等效，因此計算得出進水側第9 根、第10 根冷卻管的循環次數分別為8 148 次、8 042 次。最終得出試驗臺架上冷熱循環試驗對應的條件為：溫度-5～104 ℃ ，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min，循環次數8 148 次。考慮到樣件的離散性，必須結合失效分布對循環次數進行修正。

3. 3 失效分布

韋布分布是一種常見的概率分布函數，常用于描述可靠性分析和生存分析中的事件發生時間或產品壽命［4］。

3. 4 疲勞等效結果

已知試驗對象在試車場測試計算的總疲勞損傷，以及進水側第9 根、第10 根冷卻管測試計算的單個循環的疲勞損傷，根據疲勞損傷等效的原則可得在對應工況下（溫度-5～104 ℃ ，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min）需要進行約8 200 次循環可以使得實驗室內損傷與測試對象在試車場的損傷等效。

考慮到樣件的失效時間本身就具有一定的離散性，且一般換熱器樣件的失效遵循韋布分布，又有經驗數據表明形狀參數為1.3、尺度參數為3，計算可得在使用樣本數量為3 個時去估計總樣，且置信度90% 下需要進行驗證的循環次數。

因此，根據式（6）計算結果，冷熱循環考核指標可定義為：溫度-5～104 ℃ ，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min，循環次數10 653 次，樣本數量3 個。

本試驗對象需要在試車場進行總里程50 000 km的耐久試驗，實際在28 950 km 左右就出現了失效現象，占總里程的57.9%。實驗室內將50 000 km 的損傷轉化為溫度-5～104 ℃ ，質量流量40 kg/min，熱介質1 min，冷介質1 min，循環次數10 653 次，實際在3 個樣本平均5 998 次冷熱循環試驗中出現了失效，占總循環次數的56.3%。對比兩者失效時間（循環次數）/總時間（循環次數），可以看出實驗室內的計算結果與實際情況較為吻合。這說明該方法能夠較好地反映實車在試車場的損傷情況。

4 結語

本文用Ansys 軟件對某一特定產品進行溫度場與應變分布的分析，結合實際情況對測試對象的失效位置進行了預測，并且采用應變測試的方法對測點位置進行了試車場內的耐久工況測試以及試驗臺架的應變測試，然后利用雨流統計法對應變數據進行處理計算獲得應力幅與對應循環次數，再利用S-N 曲線及Miner 法分別獲取了2 次測試過程中試驗工況造成的損傷。最終利用損傷等效的方式確定了實驗室冷熱循環條件下等效到試車場總損傷的循環次數。

本試驗通過試驗驗證的方式確認了實驗室工況條件下和試車場實際工況下熱疲勞的等效效果良好。

未來需要進一步通過試驗研究溫變速率、外界風速改變、環境溫度對于熱疲勞造成的影響。