某新能源卡车空调机组的模态及谐响应分析

摘要：利用HyperWorks大型商用仿真平台建立某新能源卡车空调机组有限元模型。首先对其进行了模态分析，得到机组的固有频率、阵型及云图，然后按照车用空调标准的振动试验要求对该机组进行了谐响应分析，通过分析考察机组受力情况，验证设计方案是否满足要求，并为空调机组设计提供了理论依据。1 前言新能源商用汽车的空调机组是保证车内乘员舒适性以及车辆行驶热平衡的重要系统，一方面其作为车辆的空调动力源头，为汽车乘员舱提供制冷功能；另一方面，新能源汽车的电池也需要空调冷媒做强制冷却。因此，新能源车用空调机组的可靠性就显得尤为重要。空调机组与车辆固定在一起，空调机组会受到车辆行驶过程中的各种激励载荷，国标GB/T 21361-2017《汽车用空调器》对汽车用空调器振动试验的要求作了明确规定。随着计算机硬件水平的提升和计算资源的扩展，仿真技术在制造业领域得到快速发展，开发工程师可以更加快速和准确地建立物理模型，对特定工况的物理现象进行快速仿真分析，得到所需的结果，缩短研发周期，节省试验等成本。本文利用HyperWorks网格处理模块HyperMesh对某新能源卡车空调机组进行三维有限元网格精确划分，之后利用其自带求解器OptiStruct进行机组模态和谐响应分析。根据模态分析结果判定空调机组的固有频率是否与载荷频率产生共振，导致共振破坏；再根据国标GB/T 21361-2017《汽车用空调器》中的工况要求进行谐响应分析，判断工况频率激励下最大应力是否超过材料强度，设计方案是否满足要求。2 车用空调机组的网格划分利用三维设计软件CATIA建立如图1所示的几何模型，其分布质量与实际一致。所建立的模型简化了实际机组的某些细节特征，以提高有限元前后处理和求解效率。简化原则是在保证原有结构力学性能不发生改变的前提下，对非关键区域的特征及试算中应力水平较低的部件，可以予以忽略。为便于三维模型的网格划分，三维模型完成后，另存为中间格式.STEP导出，STEP是国际标准化组织（ISO）所属技术委员会制订的国际统一CAD数据交换标准，大部分三维仿真软件都支持这种输入数据格式。

图1 某车用空调机组

针对空调机组，将三维设计软件CATIA中生成的三维几何模型导入到Hyper Works的网格处理模块HyperMesh中 [1]。在进行网格划分时，对钣金结构、管路等薄壁件进行中面抽取，并对抽取的中面做几何清理，单元类型采用CTRIA3和CQUAD4；对于破坏风险较低且内部结构复杂的非考核部件，如压缩机等用壳单元+附加质量模拟，质量点与周边结构用REB3单元链接。设置网格基本尺寸设为10 mm；螺母位置用washer建模，螺栓用CBEAM替代并用RBE2单元链接起来。模型共计有64 099个节点和67 500个单元，该新能源卡车空调机组有限元模型如图2所示，内部局部细节图如图3所示。该新能源卡车空调机组模型的有限元网格划分后，需要对该空调机组模型的属性进行定义，属性包括材料、单元类型，如果是壳单元，还需要定义其单元厚度。材料属性定义如表1所示，其中钣金框架、安装脚、内部管路等金属件的材料为碳钢Q235B，风扇的材料为ABS塑料。

图2 车用空调机组有限元模型

图3 车用空调机组内部局部有限元模型

表1 车用空调机组材料属性

3 新能源卡车空调机组的模态分析

机组的振动特性与其固有频率特性相关，当所受载荷频率接近机组的固有频率时，即使载荷振幅不是很大，但由其引起的共振现象也会给机组带来很大响应，并由此导致机组破坏。对新能源卡车空调机组进行模态分析，可以得到空调机组各阶固有频率大小和相应阵型图。模态分析是模态叠加法谐响应分析必需的前期分析过程。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法 [2]。本次分析采用HyperWorks平台的OptiStruct求解器及分块Lanczos方法进行求解。某新能源卡车空调机组的安装固定情况如图4所示。在机组的两个侧面有一个安装固定支架与空调机组进行连接，每侧安装支架各有2个螺栓孔与车辆其他部位固定连接，约束螺栓孔处节点的1～6自由度。

图4 车用空调机组的安装脚约束示意图

GB/T 21361-2017《汽车用空调器》振动试验方法中规定振动试验频率为33 Hz。在HyperWorks平台的OptiStruct环境下，设定共计算10阶模态，得到如表2所示模态频率值，图5为该新能源卡车空调机组前4阶模态振型图。

表2 新能源卡车空调机组的模态频率值

该新能源卡车空调机组通过安装支架与振动试验台相连，第8阶模态频率和GB/T 21361-2017《汽车用空调器》振动测试方法中规定的试验频率33 Hz接近，要避免发生共振现象。4 新能源卡车空调机组的谐响应分析谐响应分析是线性结构在周期载荷下的稳态响应，通过谐响应分析，得到结构响应随着频率变化的规律，通过响应随频率变化规律可以分析结构的动力特性，并由此验证结构设计是否能克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。谐响应分析计算结构在不同频率下的响应，可以观察到峰值响应频率对应的应力。谐响应分析是线性分析技术，任何非线性特性将被忽略。本次分析采用OptiStruct求解器及模态叠加法进行求解。

图5 车用空调机组前4阶振型云图

4.1 载荷边界条件

按GB/T 21361-2017《汽车用空调器》振动测试方法的规定，新能源卡车空调机组的振动载荷为振动加速度，33 Hz时的加载方向和载荷大小如表3所示。

表3 新能源卡车空调机组加载方向和载荷大小

4.2 谐响应分析通过车用空调机组的模态分析，对其施加加速度激励载荷和载荷步(包括谐响应分析的频率、载荷子步数)后进行谐响应分析。图6～8为新能源卡车空调机组在激励频率33 Hz时3种工况下的应力云图。

图6 33 Hz横向X工况应力云图（应力/MPa）

图7 33 Hz垂向Y工况应力云图（应力/MPa）

图8 33 Hz纵向Z工况应力云图（应力/MPa）

从云图结果来看， 在X方向载荷工况下，最大应力的位置出现在空调机组箱体钣金框架上，应力值为35.33 MPa； Y方向载荷工况下，最大应力的位置出现在空调机组内部件板件上，应力值为64.41 MPa； Z方向载荷工况下，最大应力位置出现在空调机组底板与压缩机支架连接附近，应力值为288.9 MPa，最大应力超过材料屈服强度，有破坏风险，需要在该位置进行结构加强设计。5 结论文章应用三维设计软件CATIA建立了某新能源卡车空调机组的几何模型，利用HyperWorks商用仿真平台的Hyper Mesh对此三维几何模型进行网格划分；用HyperWorks平台的OptiStruct求解器对空调机组进行模态分析和谐响应分析。分析表明，机组存在与测试频率33 Hz接近的模态频率，在Z向加速度激励载荷下，机组最大应力超过材料屈服强度，机组强度不满足设计要求。后期还需进行优化设计，避开共振区域，加强设计薄弱区域，满足振动测试强度要求。

作者：张克鹏 熊匀均 蔡培裕；浙江盾安人工环境股份有限公司