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機(jī)油冷卻器的耐壓強(qiáng)度有限元分析

發(fā)布于:2022-06-09 18:06
有限元分析

      板翅式機(jī)油冷卻器(簡稱油冷器)是一種新型換熱器,其結(jié)構(gòu)緊湊,換熱功率大,廣泛用于車用柴油機(jī)等對油冷器體積和功率均有嚴(yán)格要求的場合。與其他形式的換熱器相比,該換熱器采用層層錯開的擾流片(即翅片)來加強(qiáng)油側(cè)換熱,油側(cè)阻力損失較大,故芯片承受壓力較大。此外,油冷器通常直接安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體上,工作條件惡劣。鑒于以上因素,油冷器的耐壓強(qiáng)度必須得到嚴(yán)格保證。生產(chǎn)廠家通常采用油壓爆破實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)油冷器的耐壓強(qiáng)度。然而,實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,在現(xiàn)有爆破實(shí)驗(yàn)條件下,各型油冷器的破壞位置均具有一定傾向性,該現(xiàn)象無法用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法解釋。
      本文采用數(shù)值方法,借助有限元分析軟件ANSYS分別從靜態(tài)和動態(tài)角度對加壓爆破過程進(jìn)行仿真。通過計(jì)算,揭示了油冷器油側(cè)壓力和芯片應(yīng)力的分布規(guī)律,從而為油壓爆破實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)提供指導(dǎo),并為提高油冷器耐壓強(qiáng)度提供依據(jù)。
      板翅式油冷器由數(shù)層芯片層迭焊接而成。采用釬焊工藝將翅片焊接在上、下芯板之間.翅片側(cè)走油,芯板外側(cè)走水。油冷器左、右法蘭上分別布置有進(jìn)、出油口,油冷器在出廠前需抽樣進(jìn)行油壓爆破實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其耐壓能力,該實(shí)驗(yàn)通常借助電動試壓泵進(jìn)行,試壓泵的出油管與油冷器的進(jìn)油口相連,出油口用盲板法蘭堵住.試壓泵將高壓機(jī)油泵入油側(cè)流道中,逐漸加壓直至油冷器破裂。此時(shí)油冷器破裂的位置即為失效位置,對應(yīng)油壓即為失效油壓。
      實(shí)測顯示,若翅片和芯板間存在虛焊,油冷器在較低的壓力下即在虛焊處破裂,這是加工因素造成的,屬于產(chǎn)品質(zhì)量缺陷,若無虛焊,則油冷器在較高的油壓下(20 MPa左右)才會破壞,且破壞位置具有如下特征:①底芯片與進(jìn)、出油口相對底板上油道轉(zhuǎn)角處的兩處翅片最先被拉斷,即破壞位置只會首先出現(xiàn)在A或B處;②底芯片在與盲板法蘭相對的油道轉(zhuǎn)角處翅片被拉斷的幾率更大,即B處破壞幾率高于A處的破壞幾率。某型油冷器20個工件破壞位置的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中顯示B處發(fā)生破壞的幾率是A處的5.7倍。該型油冷器某工件B區(qū)域的剖面,可見底層芯片油道轉(zhuǎn)角區(qū)域的翅片從中間拉斷,油冷器在此區(qū)域已瓢曲變形。
      由于油冷器焊點(diǎn)密布,芯片與芯片之間分布有許多凸臺等支撐部件,故其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,單純采用傳統(tǒng)方法很難從理論上分析出其失效位置,況且其結(jié)構(gòu)對稱,傳統(tǒng)的靜態(tài)分析理論也無法解釋A,B處破壞幾率不同的原因。故將數(shù)值方法引入分析,借助有限元軟件ANSYS分別從靜態(tài)和動態(tài)兩方面對爆破實(shí)驗(yàn)時(shí)油冷器部件應(yīng)力分布和油道內(nèi)部壓力場進(jìn)行分析。
      油冷器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,建模難度較大。為使模型不局限于某型產(chǎn)品的某種分析,借助ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)、采用模塊化方式編制油冷器整體(包括油冷器、水殼和油道)建模程序,該程序分為數(shù)據(jù)輸入和建模2個模塊。
      數(shù)據(jù)輸入模塊的前4個文件錄入總體結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)定零部件材料物性、提供凸臺位置參數(shù)以及控制網(wǎng)格尺寸,其數(shù)據(jù)均由用戶輸入;第5個文件是數(shù)據(jù)處理文件,一般不需編輯。這5個文件由DATA-SETTING.TXT文件統(tǒng)一調(diào)用,建模模塊的程序建立油冷器、油道和水殼的一個截面并劃分網(wǎng)格;拖拉此截面形成體,同時(shí)建立油側(cè)和水側(cè)入口;在分好網(wǎng)格的模型中選擇出各部件并為其分配物性以供其他計(jì)算使用。為簡化模型,采用實(shí)心體積代替錯齒的翅片,實(shí)心體積的各項(xiàng)物性參數(shù)由所用材料物性和翅片空隙率折算而成。
      該程序建立的油冷器模型為基本模型.對于特定分析,只需稍微修改模型并施加合適的邊界條件即可。此模型可用于油冷器的耐壓強(qiáng)度、模態(tài)和流場等各種分析。


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