1 水箱介紹
散熱器屬于冷卻系統(tǒng)，發(fā)動機水冷系統(tǒng)中的散熱器由進水室、出水室、主片及散熱器芯等三部分構(gòu)成。為了避免發(fā)動機過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進行適當?shù)睦鋮s。為了保證冷卻效果，冷卻系統(tǒng)一般由散熱器、節(jié)溫器、水泵、缸體水道、缸蓋水道、風扇等組成。散熱器負責循環(huán)水的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片帶波紋狀，注重散熱性能，安裝方向垂直于空氣流動的方向，盡量做到風阻要小，冷卻效率要高。冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因為吸收冷卻液散出的熱量而升溫，所以散熱器是一個熱交換器。
2 工作原理
水箱是水冷式發(fā)動機的重要部件，作為水冷式發(fā)動機散熱回路的一個重要組成部件，能夠吸收缸體的熱量，防止發(fā)動機過熱由于水的比熱容較大，吸收缸體的熱量后溫度升高并不是很多，所以發(fā)動機的熱量通過冷卻水這個液體回路，利用水作為載熱體傳導(dǎo)熱，再通過大面積的散熱片以對流的方式散熱，以維持發(fā)動機的合適工作溫度。
當發(fā)動機的水溫高的時候，水泵泵水反復(fù)循環(huán)借此來降低發(fā)動機的溫度，因水箱的構(gòu)成是一根根空心的銅管，高溫水進到水箱經(jīng)過風冷又循環(huán)到發(fā)動機缸壁，以達到保護發(fā)動機的目的。冬天水溫如果過低，這個時候就會停止水的循環(huán)，避免發(fā)動機溫度過低。
3 HyperMesh介紹
HyperMesh軟件是美國Altair公司的產(chǎn)品，是世界領(lǐng)先的、功能強大的CAE應(yīng)用軟件包，也是一個創(chuàng)新、開放的企業(yè)級CAE平臺，它集成了設(shè)計與分析所需的各種工具，具有無與倫比的性能以及高度的開放性、靈活性和友好的用戶界面。
在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，HyperMesh具有很好的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制。其他很多有限元前處理軟件對于一些復(fù)雜的，大規(guī)模的模型在讀取數(shù)據(jù)時候，需要很長時間，而且很多情況下并不能夠成功導(dǎo)入模型，這樣后續(xù)的CAE分析工作就無法進行；而如果采用HyperMesh，其強大的幾何處理能力使得HyperMesh可以很快的讀取那些結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，規(guī)模非常大的模型數(shù)據(jù)，從而大大提高了CAE分析工程師的工作效率，也使得很多應(yīng)用其他前后處理軟件很難或者不能解決的問題變得迎刃而解。
本次研究就是利用hyperMesh進行幾何的前處理，對幾何體進行有限元的離散化處理，然后根據(jù)所需的工況進行條件加載。然后再利Abaqus進行后處理，分析比對結(jié)果。
4 水箱連接方式分類
水箱水室與主板的連接方式主要有兩種，一種方法是通過螺栓，將水室與主板連接在一起；采用此種方法，主板通常會較寬，一般主板的邊緣到芯體表面的距離大約在30mm左右，因此，這種結(jié)構(gòu)對主板的強度要求也較高。如果應(yīng)用工況需要承受較高的壓力時，對主板的厚度也是有一定要求的。另一種方法是直接將水室與主板焊接在一起。此種方法適合用于長寬在1000mm左右的水箱。采用此種連接，主板通常都較窄，主板邊緣到芯體表面的距離大約5-6mm左右。因此，這種結(jié)構(gòu)對主板的強度要求也較低，一般0.8mm厚的主板即可滿足要求，且結(jié)構(gòu)也相對穩(wěn)固。此次研究，就是針對第一種主板結(jié)構(gòu)，在不同的壓力下，利用hyperMesh軟體，模擬現(xiàn)實狀況，對主板進行不同壓力下的受力分析。通過主板在模擬結(jié)果中的變形量，來判斷在設(shè)計水箱時在不同的壓力下，到底應(yīng)該選取多厚的主板。
5 分析過程
5.1設(shè)計方案一
5.1.1模型介紹
模型選擇：3.4m長水室及主板模型
連接方式：螺栓連接
材料：水室：Q235；主板：SM2464；水管：SM2385；墊塊：Q235
圖1 方案一有限元模型
邊界條件：
壓力大�。�3公斤，即0.3MPa
壓力施加位置：1）水室內(nèi)表面；2）主板與水接觸的部位。
固定：將水管視為剛體，并固定。
連接：螺栓的位置用rigidlink連接起來。
邊界條件如下圖所示：
圖2 方案一有限元模型的邊界條件
對比模型見圖3。
圖3 方案一對比模型
5.1.2分析結(jié)果
圖4 主板應(yīng)力對比結(jié)果
圖5 主板變形量對比結(jié)果
圖6 方案一結(jié)果對比
5.1.3結(jié)論
由數(shù)據(jù)可得，當壓力位0.3MPa時，厚度1.5mm的主板，才能承受該壓力，且變形量很小。
水室結(jié)構(gòu)的強弱也會對主板的變形產(chǎn)生影響，故本次研究將主板看作剛體。
5.2設(shè)計方案二
5.2.1模型介紹
模型選擇：2m長水室及主板模型
連接方式：螺栓連接
材料：水室：Q235；主板：SM2464；水管：SM2385；墊塊：Q235
圖7 方案二有限元模型
邊界條件：
壓力大�。�6公斤，即0.6MPa
壓力施加位置：1）水室內(nèi)表面；2）主板與水接觸的部位。
固定：將水管視為剛體，并固定。
連接：螺栓的位置用rigidlink連接起來。
對比模型見圖8。
圖8 方案二有對比模型
5.2.2分析結(jié)果
圖9 主板應(yīng)力對比結(jié)果
圖10 主板變形量對比結(jié)果
圖11 方案二結(jié)果對比
5.2.3結(jié)論
針對長度2.2m左右的主板，其厚度需要2mm，才能承受0.6MPa的壓力。
6 總結(jié)
在不同的壓力工況下，需要選擇不同厚度的主板來滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。除此之外，水室的結(jié)構(gòu)強度對主板的變形量也會有影響，所以本次研究，將水室結(jié)構(gòu)看作完全合格，不考慮水室的變形，故把其看作剛體來進行對比實驗。通過實驗結(jié)果可知，在3公斤壓力下，1.5mm厚的主板才能滿足其結(jié)構(gòu)強度的需求，而當壓力為6公斤時，2mm厚的主板才能滿足結(jié)構(gòu)強度的要求。通過此種方法，可以針對不同的壓力，模擬不同厚度的主板的變形情況，來選擇和優(yōu)化我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達到節(jié)約成本，并且使結(jié)構(gòu)強度滿足需求的目的。
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本文標題：2014產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化征文：基于HyperMesh對水箱主板承受壓力進行對比分析
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