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                          機油冷卻器的耐壓強度有限元分析

                          發布于:2022-06-09 18:06
                          有限元分析

                                板翅式機油冷卻器(簡稱油冷器)是一種新型換熱器,其結構緊湊,換熱功率大,廣泛用于車用柴油機等對油冷器體積和功率均有嚴格要求的場合。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)來加強油側換熱,油側阻力損失較大,故芯片承受壓力較大。此外,油冷器通常直接安裝在發動機機體上,工作條件惡劣。鑒于以上因素,油冷器的耐壓強度必須得到嚴格保證。生產廠家通常采用油壓爆破實驗來檢驗油冷器的耐壓強度。然而,實測數據統計結果顯示,在現有爆破實驗條件下,各型油冷器的破壞位置均具有一定傾向性,該現象無法用傳統經驗方法解釋。
                                本文采用數值方法,借助有限元分析軟件ANSYS分別從靜態和動態角度對加壓爆破過程進行仿真。通過計算,揭示了油冷器油側壓力和芯片應力的分布規律,從而為油壓爆破實驗數據的分析和實驗方案的改進提供指導,并為提高油冷器耐壓強度提供依據。
                                板翅式油冷器由數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.翅片側走油,芯板外側走水。油冷器左、右法蘭上分別布置有進、出油口,油冷器在出廠前需抽樣進行油壓爆破實驗以檢驗其耐壓能力,該實驗通常借助電動試壓泵進行,試壓泵的出油管與油冷器的進油口相連,出油口用盲板法蘭堵住.試壓泵將高壓機油泵入油側流道中,逐漸加壓直至油冷器破裂。此時油冷器破裂的位置即為失效位置,對應油壓即為失效油壓。
                                實測顯示,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,屬于產品質量缺陷,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、出油口相對底板上油道轉角處的兩處翅片最先被拉斷,即破壞位置只會首先出現在A或B處;②底芯片在與盲板法蘭相對的油道轉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計結果中顯示B處發生破壞的幾率是A處的5.7倍。該型油冷器某工件B區域的剖面,可見底層芯片油道轉角區域的翅片從中間拉斷,油冷器在此區域已瓢曲變形。
                                由于油冷器焊點密布,芯片與芯片之間分布有許多凸臺等支撐部件,故其結構復雜,單純采用傳統方法很難從理論上分析出其失效位置,況且其結構對稱,傳統的靜態分析理論也無法解釋A,B處破壞幾率不同的原因。故將數值方法引入分析,借助有限元軟件ANSYS分別從靜態和動態兩方面對爆破實驗時油冷器部件應力分布和油道內部壓力場進行分析。
                                油冷器結構復雜,建模難度較大。為使模型不局限于某型產品的某種分析,借助ANSYS參數化設計語言(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,該程序分為數據輸入和建模2個模塊。
                                數據輸入模塊的前4個文件錄入總體結構尺寸、設定零部件材料物性、提供凸臺位置參數以及控制網格尺寸,其數據均由用戶輸入;第5個文件是數據處理文件,一般不需編輯。這5個文件由DATA-SETTING.TXT文件統一調用,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格;拖拉此截面形成體,同時建立油側和水側入口;在分好網格的模型中選擇出各部件并為其分配物性以供其他計算使用。為簡化模型,采用實心體積代替錯齒的翅片,實心體積的各項物性參數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度、模態和流場等各種分析。


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