汽车发动机副水箱支架结构优化研究【字数：12804】
发动机冷却系统是汽车发动机重要的系统之一，它主要由散热器、水泵、冷却液、冷却风扇、节温器、副水箱等部件组成。发动机冷却系统主要通过冷却液在管道内循环的方式，强制使得发动机温度降低。副水箱作为冷却系统的重要部件，主要用于贮存冷却液，同时能够调节冷却系统的压力。本文主要利用有限元法，采用HyperWorks软件对汽车发动机散热系统中的副水箱支架结构进行研究，通过提高第一阶模态频率的方式，解决在发动机激励作用下发生的副水箱共振现象，确保副水箱能够正常、稳定地工作，同时减轻了发动机副水箱支架的重量。
目录
1.绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2副水箱概述 3
1.3本文的主要研究内容 4
2.有限元方法及CAE软件 5
2.1有限元方法概述 5
2.2HyperMesh软件概述 8
2.3模态分析概述 9
2.4有限元法在副水箱支架分析中的应用 10
3.副水箱模型建立及模态分析 11
3.1副水箱支架总成建模 11
3.2副水箱模型简化 11
3.3网格划分 12
3.4施加约束 12
3.5模态分析及支架改进 13
4.副水箱支架拓扑优化设计 14
4.1拓扑优化方法简介 14
4.2支架优化参数定义 14
4.3优化结果分析 15
4.4最终结果对比 16
5.结论 17
参考文献 18
致谢 19
1.绪论
1.1研究的目的及意义
伴随着我国经济的高速发展，我国的汽车工业也不断蒸蒸日上，成为了我国十大支柱产业的十分重要的一部分。自从1953年7月15日，中国第一汽车制造厂在吉林省长春市正式完成奠基，我国就进入了自主生产汽车的汽车工业化时代。到后来1978年我国实行改革开放政策后，我国汽车企业开启了中外合资的经营模式。吸取了国外先进的汽车制造工艺以及零部件生产、装配的经验后，我国的汽车产业开始突飞猛进，产销量不断上涨。直至2016年，我国全年汽车的产 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
销量分别达到2811.9万辆和2802.8万辆[1]。 中国汽车产销量位居世界第一，包括第二名美国，第三名日本，第四名德国三个汽车大国的汽车产销量总和也不及中国。据国家工信部数据表明，2018年全国新注册登记机动车3172辆，全国机动车保有量已经达到3.27亿辆。众所周知，汽车燃油作为不可再生能源十分宝贵，而我国又是原油进口大国，因此降低我国机动车的燃油消耗量十分重要。通过对汽车零部件进行结构优化的方式，可以减轻汽车自身的质量，从而能降低油耗。有实验表明，如果汽车的质量能够减少一半，则燃油消耗量也会随之降低大约一半。汽车的整备质量每降低100千克，每百公里油耗可以降低0.3到0.6升左右。在减轻机动车质量的同时，不仅有效降低了机动车的油耗，还直接改善了机动车的动力性，使得汽车行驶起来能够更加灵活，从而使得汽车的操纵稳定性得到大幅度提升。
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图1 近年我国汽车产销量图
其次，对汽车车身结构、零部件等进行结构优化，在保持汽车原尺寸规格的情况下，可以提高整车的结构强度，降低材料消耗用量。随着我国机动车保有量的不断增长，交通事故的发生也愈发频繁。我国每年因为道路交通事故而造成的经济损失高达数百亿元，据世界卫生组织公布的资料显示，每年因道路交通事故而导致死亡的人数达到了十万，因道路交通事故而受伤的超过五十万起。大约平均每五分钟就有一人因为道路交通事故而导致死亡，每一分钟就有一人因为道路交通事故而导致伤残。道路交通事故除去驾驶员自身的因素（操作失误、疏忽大意、疲劳驾驶、车辆超载超员、超速行驶、未能与前车保持合理车距等）以及外在的天气、道路条件以外，汽车本身的安全性能也是影响交通事故人员伤亡的重要因素。汽车车身结构设计越是合理，汽车发生碰撞时，能够有合理的溃缩空间而同时保持驾驶室的完整牢固，从而有效的保护驾驶员和乘客，降低交通事故中的人员伤亡概率。同时，对于车外的行人而言，合理设计的汽车有可靠的行人保护区，在汽车与车外行人发生碰撞时，也能够最大程度的降低车外人员的伤亡程度。因此对汽车进行结构优化研究，能够有效改善交通事故的伤亡情况，降低我国每年因交通事故而造成的经济损失。
汽车零部件的自身的振动是车辆发生噪音的来源之一，在汽车行驶时振动较大的汽车往往伴随着较大的噪声。据相关数据表明，汽车大约有三分之一的故障与汽车自身的NVH水平有一定联系。所谓的NVH是指噪声、振动以及声振粗糙度，即Noise、Vibration、Harshness的英文缩写。汽车的NVH性能对于驾驶员和乘坐人员的舒适度，有着十分直观的影响。通过改善车辆的NVH水平，很大程度上可以直接的提高汽车本身的乘坐舒适性。因此消费者在选购汽车的时候，NVH水平往往会成为衡量一辆汽车高级感的重要因素。通常越是高级的轿车，其驾驶室的静谧性越好，整车发生异响的概率越小，驾驶员或是乘坐人员在汽车内（尤其是车辆进行长途行驶时）的感受会越好。此外，汽车的NVH水平对于驾驶员的驾驶时情绪在一定程度上有一些影响。因此汽车厂商往往会投入大量资金用于研究汽车的NVH性能，以此来提高车辆的高级感。长期驾驶NVH水平较差的汽车的驾驶员，在驾驶车辆时有更大几率会容易情绪激动、易怒，表现出暴躁等情况，进一步会更加容易发生交通事故。NVH性能的研究是对于车辆某一个系统或是总成进行建模并具体分析，通过改变其激励源的振动情况，或是通过抑制激励源产生的噪声向驾驶室的传递，从而来改善车辆的乘坐舒适性。本文主要采用CAE软件（HyperWorks）对发动机副水箱支架进行建模分析，研究其本身固有的振动频率，通过提高发动机副水箱支架的固有频率来减少与发动机的共振，从而改善在发动机怠速时整车的NVH的水平。
因此，通过利用CAE软件对汽车零部件进行建模分析，并进行结构优化，可以改善车辆的燃油消耗情况，提高车辆的安全性能以及NVH性能，使得汽车运行的可靠性得到增加。在汽车零部件制造方面，有着十分广泛的应用前景，不仅能够提高车辆零部件的可靠性，还可以进一步减轻零部件本身的质量，减少材料消耗，降低成本。
1.2副水箱概述
汽车发动机冷却系统是汽车发动机系统的重要系统之一，它的功用是用于降低发动机所发出的大量的热量，将冷却液保持在一定合适的范围内，使得发动机内的燃料能够正常点火燃烧[2]。汽车发动机冷却系统主要有风冷式冷却系统和水冷式冷却系统，而现代汽车主要采用水冷式冷却系统。水冷式冷却系统主要由散热器、节温器、冷却风扇、水泵、副水箱（膨胀水壶）等主要部件组成（如图1所示）。冷却液在散热器、节温器、水管、副水箱等部件之间进行流动，形成一个循环，对发动机的温度进行消耗。冷却系统的循环又分为两种，小循环和大循环。所谓的小循环就是当发动机冷却液温度不是过高的时候，冷却液在不经过散热水箱的情况下进行循环流动。与之相对的大循环，当冷却液温度较高时就会流动经过散热水箱。大小循环通过节温器来控制，当冷却液温度较低时，节温器内的阀体关闭，冷却液无法进入散热水箱。当冷却液温度达到一定温度时，节温器内的阀体将会打开使得冷却液进入到散热水箱[3]。副水箱作为汽车冷却系统的重要部件，直接与散热水箱相连，用于平衡散热水箱的压力。随着发动机温度升高，一部分冷却液膨胀从而流入到副水箱之中。当冷却液温度下降时，副水箱中的冷却液将流回到散热器中。冷却液流动经过发动机水套以此来吸收发动机工作时产生的大量热量，并产生大量蒸汽。在进入泵循环之前，气泡通过排气管进入副水箱，用作液气分离。 当一些水蒸气冷却液化时，它们将进入冷却循环，并且由于副水箱的空间和压力，一些水蒸气将被排放到空气中[4]。副水箱将冷却液中的水蒸气吸收，循环中的冷却液从而会减少。为了补偿冷却液的不足，并增加冷却水泵的吸水一次侧的压力，存储在副水箱中的冷却液加入循环。冷却水泵循环以补充由于蒸发和泄漏而在冷却系统中损失的水量，并确保冷却水泵具有足够的压力。若是副水箱无法正常工作，发动机冷却系统将会失效，冷却液温度将无法维持正常，发动机会过热，导致发动机过度磨损，产生十分严重的后果[5]。
目录
1.绪论 1
1.1研究的目的及意义 1
1.2副水箱概述 3
1.3本文的主要研究内容 4
2.有限元方法及CAE软件 5
2.1有限元方法概述 5
2.2HyperMesh软件概述 8
2.3模态分析概述 9
2.4有限元法在副水箱支架分析中的应用 10
3.副水箱模型建立及模态分析 11
3.1副水箱支架总成建模 11
3.2副水箱模型简化 11
3.3网格划分 12
3.4施加约束 12
3.5模态分析及支架改进 13
4.副水箱支架拓扑优化设计 14
4.1拓扑优化方法简介 14
4.2支架优化参数定义 14
4.3优化结果分析 15
4.4最终结果对比 16
5.结论 17
参考文献 18
致谢 19
1.绪论
1.1研究的目的及意义
伴随着我国经济的高速发展，我国的汽车工业也不断蒸蒸日上，成为了我国十大支柱产业的十分重要的一部分。自从1953年7月15日，中国第一汽车制造厂在吉林省长春市正式完成奠基，我国就进入了自主生产汽车的汽车工业化时代。到后来1978年我国实行改革开放政策后，我国汽车企业开启了中外合资的经营模式。吸取了国外先进的汽车制造工艺以及零部件生产、装配的经验后，我国的汽车产业开始突飞猛进，产销量不断上涨。直至2016年，我国全年汽车的产 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
销量分别达到2811.9万辆和2802.8万辆[1]。 中国汽车产销量位居世界第一，包括第二名美国，第三名日本，第四名德国三个汽车大国的汽车产销量总和也不及中国。据国家工信部数据表明，2018年全国新注册登记机动车3172辆，全国机动车保有量已经达到3.27亿辆。众所周知，汽车燃油作为不可再生能源十分宝贵，而我国又是原油进口大国，因此降低我国机动车的燃油消耗量十分重要。通过对汽车零部件进行结构优化的方式，可以减轻汽车自身的质量，从而能降低油耗。有实验表明，如果汽车的质量能够减少一半，则燃油消耗量也会随之降低大约一半。汽车的整备质量每降低100千克，每百公里油耗可以降低0.3到0.6升左右。在减轻机动车质量的同时，不仅有效降低了机动车的油耗，还直接改善了机动车的动力性，使得汽车行驶起来能够更加灵活，从而使得汽车的操纵稳定性得到大幅度提升。
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图1 近年我国汽车产销量图
其次，对汽车车身结构、零部件等进行结构优化，在保持汽车原尺寸规格的情况下，可以提高整车的结构强度，降低材料消耗用量。随着我国机动车保有量的不断增长，交通事故的发生也愈发频繁。我国每年因为道路交通事故而造成的经济损失高达数百亿元，据世界卫生组织公布的资料显示，每年因道路交通事故而导致死亡的人数达到了十万，因道路交通事故而受伤的超过五十万起。大约平均每五分钟就有一人因为道路交通事故而导致死亡，每一分钟就有一人因为道路交通事故而导致伤残。道路交通事故除去驾驶员自身的因素（操作失误、疏忽大意、疲劳驾驶、车辆超载超员、超速行驶、未能与前车保持合理车距等）以及外在的天气、道路条件以外，汽车本身的安全性能也是影响交通事故人员伤亡的重要因素。汽车车身结构设计越是合理，汽车发生碰撞时，能够有合理的溃缩空间而同时保持驾驶室的完整牢固，从而有效的保护驾驶员和乘客，降低交通事故中的人员伤亡概率。同时，对于车外的行人而言，合理设计的汽车有可靠的行人保护区，在汽车与车外行人发生碰撞时，也能够最大程度的降低车外人员的伤亡程度。因此对汽车进行结构优化研究，能够有效改善交通事故的伤亡情况，降低我国每年因交通事故而造成的经济损失。
汽车零部件的自身的振动是车辆发生噪音的来源之一，在汽车行驶时振动较大的汽车往往伴随着较大的噪声。据相关数据表明，汽车大约有三分之一的故障与汽车自身的NVH水平有一定联系。所谓的NVH是指噪声、振动以及声振粗糙度，即Noise、Vibration、Harshness的英文缩写。汽车的NVH性能对于驾驶员和乘坐人员的舒适度，有着十分直观的影响。通过改善车辆的NVH水平，很大程度上可以直接的提高汽车本身的乘坐舒适性。因此消费者在选购汽车的时候，NVH水平往往会成为衡量一辆汽车高级感的重要因素。通常越是高级的轿车，其驾驶室的静谧性越好，整车发生异响的概率越小，驾驶员或是乘坐人员在汽车内（尤其是车辆进行长途行驶时）的感受会越好。此外，汽车的NVH水平对于驾驶员的驾驶时情绪在一定程度上有一些影响。因此汽车厂商往往会投入大量资金用于研究汽车的NVH性能，以此来提高车辆的高级感。长期驾驶NVH水平较差的汽车的驾驶员，在驾驶车辆时有更大几率会容易情绪激动、易怒，表现出暴躁等情况，进一步会更加容易发生交通事故。NVH性能的研究是对于车辆某一个系统或是总成进行建模并具体分析，通过改变其激励源的振动情况，或是通过抑制激励源产生的噪声向驾驶室的传递，从而来改善车辆的乘坐舒适性。本文主要采用CAE软件（HyperWorks）对发动机副水箱支架进行建模分析，研究其本身固有的振动频率，通过提高发动机副水箱支架的固有频率来减少与发动机的共振，从而改善在发动机怠速时整车的NVH的水平。
因此，通过利用CAE软件对汽车零部件进行建模分析，并进行结构优化，可以改善车辆的燃油消耗情况，提高车辆的安全性能以及NVH性能，使得汽车运行的可靠性得到增加。在汽车零部件制造方面，有着十分广泛的应用前景，不仅能够提高车辆零部件的可靠性，还可以进一步减轻零部件本身的质量，减少材料消耗，降低成本。
1.2副水箱概述
汽车发动机冷却系统是汽车发动机系统的重要系统之一，它的功用是用于降低发动机所发出的大量的热量，将冷却液保持在一定合适的范围内，使得发动机内的燃料能够正常点火燃烧[2]。汽车发动机冷却系统主要有风冷式冷却系统和水冷式冷却系统，而现代汽车主要采用水冷式冷却系统。水冷式冷却系统主要由散热器、节温器、冷却风扇、水泵、副水箱（膨胀水壶）等主要部件组成（如图1所示）。冷却液在散热器、节温器、水管、副水箱等部件之间进行流动，形成一个循环，对发动机的温度进行消耗。冷却系统的循环又分为两种，小循环和大循环。所谓的小循环就是当发动机冷却液温度不是过高的时候，冷却液在不经过散热水箱的情况下进行循环流动。与之相对的大循环，当冷却液温度较高时就会流动经过散热水箱。大小循环通过节温器来控制，当冷却液温度较低时，节温器内的阀体关闭，冷却液无法进入散热水箱。当冷却液温度达到一定温度时，节温器内的阀体将会打开使得冷却液进入到散热水箱[3]。副水箱作为汽车冷却系统的重要部件，直接与散热水箱相连，用于平衡散热水箱的压力。随着发动机温度升高，一部分冷却液膨胀从而流入到副水箱之中。当冷却液温度下降时，副水箱中的冷却液将流回到散热器中。冷却液流动经过发动机水套以此来吸收发动机工作时产生的大量热量，并产生大量蒸汽。在进入泵循环之前，气泡通过排气管进入副水箱，用作液气分离。 当一些水蒸气冷却液化时，它们将进入冷却循环，并且由于副水箱的空间和压力，一些水蒸气将被排放到空气中[4]。副水箱将冷却液中的水蒸气吸收，循环中的冷却液从而会减少。为了补偿冷却液的不足，并增加冷却水泵的吸水一次侧的压力，存储在副水箱中的冷却液加入循环。冷却水泵循环以补充由于蒸发和泄漏而在冷却系统中损失的水量，并确保冷却水泵具有足够的压力。若是副水箱无法正常工作，发动机冷却系统将会失效，冷却液温度将无法维持正常，发动机会过热，导致发动机过度磨损，产生十分严重的后果[5]。
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