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蒸發(fā)器是汽車空調(diào)系統(tǒng)的一個主要部件，其作用是將從膨脹閥出來的低壓制冷劑蒸發(fā)而吸收車內(nèi)空氣的熱量，從而達(dá)到車內(nèi)降溫目的。文中針對某款裝配SQR473發(fā)動機(jī)的車型在行駛2萬多公里時，蒸發(fā)器芯進(jìn)水管根部經(jīng)常出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，運(yùn)用有限元分析。根據(jù)蒸發(fā)器芯的結(jié)構(gòu)和安裝情況，初步判斷主要是X向推力對進(jìn)水管起主要破壞作用。從破壞的進(jìn)水管上發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水管X正向的移動位移大概3mm左右。為查找問題的原因，運(yùn)用大型有限元軟件Hypermesh和ABAQUS對蒸發(fā)器芯結(jié)構(gòu)建模并進(jìn)行強(qiáng)度分析，提出改進(jìn)建議。
斷裂件狀祝分析：(1)從蒸發(fā)器安裝上得知，蒸發(fā)器在Y，Z兩個方向上固定不動，在X正方向(向后)也不動，在X負(fù)方向(向前)主要是靠固定在HVAC殼體上進(jìn)出水管的管夾來阻止該方向的運(yùn)動，其次殼體內(nèi)固定點(diǎn)的摩擦力也能阻止蒸發(fā)器在X負(fù)方向的運(yùn)動。由于蒸發(fā)器質(zhì)量較小，慣性載荷的作用對其影響較小，可以排除慣性載荷的影響。管夾主要是防止蒸發(fā)器及進(jìn)出水管X負(fù)方向(向前)的運(yùn)動，如圖所示，所以當(dāng)管子受到向前的載荷作用時該管夾能起到很好的支撐作用。而在管夾固定處，進(jìn)出水管與HVAC殼體配合大約有1.5mm左右(從模型中量得)的間隙，如圖所示，說明該處沒有對進(jìn)出水管在X正方向(向后)起到有效的支撐，如果受到該方向的載荷，管子根部應(yīng)該是承受載荷比較大的部位。(2)從蒸發(fā)器上兩根管子的功能看，斷裂的都是進(jìn)水管，進(jìn)水的壓力要比出水的壓力大，進(jìn)水的壓力方向是X正方向(向后)，剛好是管子缺少支撐的方向。而出水管壓力較小，且受到的出水壓力方向是X負(fù)方向(向前)，且該方向有管夾的支撐，工況條件比進(jìn)水管好。(3)從斷裂的進(jìn)水管上可以看出：在與車身飯金件接觸的部位有3mm左右寬的滑動痕跡，由痕跡走向知是水管受到X正方向(向后)的推力使水管與接觸飯金件產(chǎn)生摩擦。(4)從進(jìn)出水管與發(fā)動機(jī)的連接可以看出：在SQR473上與進(jìn)水管連接的橡膠管直線連接，中間沒有緩沖，發(fā)動機(jī)運(yùn)動產(chǎn)生的力直接傳遞到進(jìn)水管上;而與出水管連接的橡膠管有一個折彎，且與其他橡膠管有連接，彎曲的軟管能對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的力和水的壓力有一定的緩沖，從而得知進(jìn)水管的工祝比出水管惡劣些。
采用CAD軟件CATIA對蒸發(fā)器芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，運(yùn)用Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，并采用大型非線性計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。在蒸發(fā)器芯有限元建模過程中，因?yàn)槲闹兄荚诳疾檫M(jìn)出水管根部的斷裂破壞情況，只需對進(jìn)出水管與HVAC殼體固定處進(jìn)行詳細(xì)建模，蒸發(fā)器芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)可適當(dāng)簡化，用一塊厚度為10mm的合金鋼板粗略模擬。合金鋼板采用程序自動控制實(shí)體的網(wǎng)格劃分，最大單元尺寸10mm。為了使進(jìn)出水管及其安裝部位更好地貼合實(shí)際模型，采用人工建模，單元尺寸3mm。有限元模型如圖所示。HVAC殼體材料為A1合金(屈服強(qiáng)度200MPa)，料厚為1.5mm。在Hypermesh中將劃分好的有限元網(wǎng)格進(jìn)行材料屬性、邊界條件、接觸定義及分析步的設(shè)置，保存為inp格式文件。在蒸發(fā)器芯有限元模型的3條邊線上(安裝進(jìn)出水管的邊除外)各選取一排節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合，并約束X，Y，Z三個方向的平動自由度，將蒸發(fā)器芯看做固定平面。
為考察發(fā)動機(jī)振動對進(jìn)出水管的影響，需要對該模型進(jìn)行約束模態(tài)分析，模態(tài)分析采用Lanczos特征值解法，因?yàn)镾QR473發(fā)動機(jī)二階頻率在250H，以內(nèi)，故求解階數(shù)設(shè)為4階。根據(jù)進(jìn)出水管的受力狀況，強(qiáng)度分析有兩種工況：工況1：進(jìn)出水管受到推力時，在水管端部施加與X正方向(向后)平行的位移3mm，因推力工況中管夾不起作用可去除，如圖所示；工況2：進(jìn)出水管受到拉力時，管夾起到支撐作用，模型中需定義管夾與管子的接觸關(guān)系，但管夾強(qiáng)度不考慮，如圖所示。
由模態(tài)分析結(jié)果知：第1階次(143Hz)主振型是進(jìn)出水管X向前后同步振動，進(jìn)水管振幅大于出水管；第2階次(166.5Hz)主振型是進(jìn)出水管X向前后非同步振動，出水管振幅大于進(jìn)水管；第3階次(192Hz)主振型是出水管Y向振動；第4階次(227.5Hz)主振型是出水管Y向振動。250Hz以內(nèi)的振型主要出現(xiàn)在出水管，振型主要就是以上4種，每種振型的應(yīng)變能都集中在管子根部。應(yīng)變能云圖強(qiáng)度分析工況1。從圖1V可以看出：進(jìn)出水管在X向沒有有效支撐的時候，根部是應(yīng)力集中的部位，且進(jìn)水管根部的應(yīng)力值己經(jīng)超過材料的屈服極限，強(qiáng)度己經(jīng)不能滿足要求。圖11中的灰色區(qū)域是管子X向位移大于1.5mm的部分，在管夾位置X向位移沒有達(dá)到1.5mm，說明進(jìn)出水管在該工況下還沒有與HVAC殼體接觸上，管子還處于X向無支撐狀態(tài)。由表1得知：進(jìn)水管在工祝1下的剛度大于出水管，但兩個管子在X方向的剛度都比較差。
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