某电动汽车空调HVAC总成的仿真分析

ModelingandSimulation建模与仿真,2019,8(4),146-154PublishedOnlineNovember2019inHans.://doi.org/10.12677/mos.2019.84017文章引用:朱信达,苏林,李康,方奕栋,高浩,刘明康.某电动汽车空调HVAC总成的仿真分析[J].建模与仿真,2019,8(4):146-154.DOI:10.12677/mos.2019.84017SimulationAnalysisforanElectricalVehicleHVACAssemblyXindaZhu,LinSu,KangLi,YidongFang,HaoGao,MingkangLiuSchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,ShanghaiReceived:Sep.30th,2019;accepted:Oct.14th,2019;published:Oct.21st,2019AbstractInordertostudystructuralcharacteristicsofanelectricalvehicleHVAC(Heating,ventilationandairconditioning)assembly,themodalanalysis,vibrationanalysisandstaticanalysisofanelec-tricalvehicleHVACassemblyarecarriedoutbyusingthefiniteelementnumericalsimulationmethod.Accordingtotheanalysisresults,theoptimizationmeasuresareputforward.Inmodalanalysis,resultsshowthefundamentalnaturalfrequency(143Hz)ofHVACassemblyisabovetheexternalexcitationfrequencyrangeof30~100Hzduringactualoperations,andresonancescanbeavoided.Intheanalysisofnaturalvibrationcharacteristics,resultsshowthestructureoftheHVACassemblyhashighfundamentalfrequencyandgoodstiffness.Instaticanalysis,resultsshowthemaximumstressvalue(5.467Mpa)isfarlessthanthetensilestrengthofthematerial,andthein-stallationreliabilityishighforthisautomobileHVACassembly.KeywordsElectricalVehicleHVACAssembly,ModalAnalysis,NaturalFrequency,StaticAnalysis,TensileStrength某电动汽车空调HVAC总成的仿真分析朱信达，苏林，李康，方奕栋，高浩，刘明康上海理工大学，能源与动力工程学院，上海收稿日期：2019年9月30日；录用日期：2019年10月14日；发布日期：2019年10月21日摘要本文为了研究某电动汽车空调HVAC总成的结构特性，采用有限元数值模拟的方法，分别对HVAC总成进朱信达等DOI:10.12677/mos.2019.84017147建模与仿真行了模态分析、振动特性分析和静力分析，并根据分析结果提出了优化措施。结果表明：模态分析中，HVAC总成的一阶固有频率(143Hz)避开了实际运行过程中的外界激励频率(30~100Hz)，不会发生共振；自振特性分析中，HVAC总成结构基频高，刚度好；静力分析中，最大应力值(5.467Mpa)远小于材料的拉伸强度，因此该HVAC总成的安装可靠性高。关键词电动汽车HVAC总成，模态分析，固有频率，静力分析，拉伸强度Copyright©2019byauthor(s)andHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).引言随着能源的紧缺和环境污染问题的日益严峻，研发新能源汽车已经成为当今汽车领域的热点[1][2]。传统的燃油车采用的是发动机余热供暖，而本文研究的对象是某款电动汽车空调的HVAC总成。不同于传统燃油车由发动机提供动力，电动汽车采用电池驱动，在冬季无法利用发动机余热对乘员舱进行供暖，本款电动汽车采用热泵系统进行供暖并添加一小型PTC进行辅助供暖，因此与传统的燃油车在HVAC总成的结构方面存在差异[3]。但和传统车相同的是，电动汽车空调HVAC总成也存在振动问题，且HVAC总成的固有属性必然会对空调系统的性能及用户的舒适性产生重要影响[4]。李秋芳[5]应用有限元软件研究了汽车变速箱箱体的固有频率及振型，找出发生振动较大的区域，从理论上分析了变速箱箱体产生振动的敏感部位。董相龙等[6]采用有限元分析的方法计算了某型号电动汽车在急转弯和急刹车两种工况下，电池箱局部产生的应力集中现象，并根据计算结果提出改进设计。代颖等[7]通过有限元仿真得到电机各阶模态频率和模态振型。王世栋等[8]通过软件模拟，根据模态振型找出了振型最敏感的区域，提出了在此区域增加肋板的优化措施。张亚飞等[9][10][11]应用有限元分析法模拟并找出了汽车在各种实际运行工况下的车身结构的模态振型及应力分布，为车身结构优化设计提供参考。李鹏等[12]通过试验模态分析和计算模态分析进行比对，验证模态分析方法得出的HVAC壳体机械结构的固有振动特性的准确性。刘敏、庞剑等[13][14]指出空调压缩机安装支架在A/COFF时，主要受到汽车发动机为震源传递的振动；在A/CON时，还附加有空调压缩机以及鼓风机带来的振动一般空调压缩机及鼓风机的各个档位(一般四档位)频率为30~100Hz，因此，空调压缩机安装支架的固有频率应当避开这些频率范围，才能长期稳定、有效、安全地工作。Yook等[15]通过有限元分析和实验评估研究了由传统汽车的空调箱箱体表面的加强筋和表面刚度引起的动态特性的变化。分析目前国内外研究成果可知，关于汽车方面的模态和静力分析主要集中于变速箱、车身结构、电池箱、电机等方面，而对汽车空调HVAC总成的有限元分析未积极展开，尤其是电动汽车。因此本文通过有限元分析，展开了对某款电动汽车空调HVAC总成结构合理性的探究。2.汽车空调HVAC总成有限元建模2.1.三维数学模型的建立在三维CAD软件中进行建模，由于不可能使模型的质量矩阵和刚度矩阵完全与实际一致，需根据等效原理对结构进行简化处理。又由于实际加工的需要，电动汽车HVAC总成被分为上壳体和下壳体，上OpenAccess朱信达等DOI:10.12677/mos.2019.84017148建模与仿真下壳体之间通过螺栓连接，所以在进行有限元分析时把HVAC总成的上下壳体通过约束绑定在一起，当作一个整体考虑。而HVAC总成通过分布在表面的5个安装脚与整车进行固定。图1为建好的电动汽车HVAC总成的三维数学模型。1、2、3、4、5安装脚；6上壳体；7下壳体；8、9螺栓Figure1.3DmodelofHVACassemblyforelectricalvehicle图1.电动汽车HVAC总成的三维数模2.2.网格划分由于汽车HVAC总成结构的复杂性，HVAC总成表面有加强筋和安装脚。根据已经建好的几何模型，利用网格划分软件做进一步的前处理并划分网格，对一些易振区域和静力集中区域进行网格加密处理，最后修改网格尺寸。为了计算速度和精度，选用的有限元网格模型如图2。网格单元采用四面体网格，单元尺寸3mm，节点增长率为1.1。共划分约四百万个网格，节点数为九十万个。Figure2.FEAmodelofHVACassemblyforelectricalvehicle图2.电动汽车HVAC总成的有限元模型2.3.定义材料HVAC总成的材料为PPA+33%GF(加了33%玻纤的PPA塑料)，其性能参数如表1所示：朱信达等DOI:10.12677/mos.2019.84017149建模与仿真Table1.Performanceparameterofmaterial表1.材料性能参数材质密度(g/cm³)杨氏模量(MPa)泊松比拉伸强度(MPa)PPA+33%GF1.45112000.331723.汽车空调HVAC总成的有限元模型求解3.1.模态分析的理论基础汽车HVAC总成作为连续弹性体考虑要用无限多个自由度来描述其动力学状态，即多自由度系统[16]，这个系统的振动微分方程为：[](){}[](){}[](){}(){}MxtCxtKxtft++=(1)式中：[]M——质量矩阵，nnMR×∈；[]C——阻尼矩阵，nnCR×∈；[]K——刚度矩阵，nnKR×∈；(){}xt、(){}xt、(){}xt——N维位移、速度、加速度响应变量；(){}ft——N维激励力向量。由于其阻尼比很小，在研究HVAC总成结构的固有特性时，阻尼比对汽车HVAC总成的振型和模态分析的影响可以忽略。因此可将汽车HVAC总成结构看作是无阻尼振动，故振动微分方程可简化：[](){}[](){}[]0MxtKxt+=(2)方程(2)是一个常系数齐次常微分方程，它的解即特征值和特征向量反映了结构的固有特性。解的形式为：(){}{}sinxttω=∅(3)式(3)中ω是向量{}∅的频率，代入式(2)，可以推出[][](){}{}20iKMω−∅=(4)式(4)有非零解的条件是[][]()20iKMω−=(5)求解式(5)可以得到第i阶频率iω，然后将求得的iω代入式(4)推出第i阶的特征向量{}∅。对特征向量进行正则化处理，即{}[]{}1TiiM∅∅=(6)通过求出的特向量再对应求出HVAC总成的固有频率。本文中，模态分析是为了确认电动汽车HVAC总成每一阶模态具有的固有频率和模态振型等动力特性，从而为HVAC总成结构的评估及结构设计优化奠定理论基础[17]。其中，分析主要目的是比较HVAC总成的低阶频率和汽车运行过程中受到的外界激励力频率，避免出现共振这种对结构不利的振型，达到消除过度振动和噪声的目的。刘敏、庞剑等指出在整个汽车结构中，汽车HVAC总成受到的外界激励主要来自两个方面，一是汽车发动机的怠速频率对应的激励，其怠速激振频率为25~28Hz，二是来源于空调压缩机和鼓风机，其频率为30~100Hz。由于本文的研究对象是电动汽车的HVAC总成，因此主要的朱信达等DOI:10.12677/mos.2019.84017150建模与仿真外界激励来源是空调压缩机和鼓风机，而结构的响应往往取决于相对较低的几阶模态。3.2.模态计算结果分析本文利用三维有限元软件对电动汽车HVAC总成进行模态数值计算，得到的前四阶固有频率如表2所示。由表2可以看出，随着模态阶数的增加，固有频率也在增加。因随着模态阶数的提高，激发高阶振动的载荷能量减弱[18]。并且随着模态阶数不同，汽车HVAC总成受到激励的节点位置也不同，所以前四阶出现了不同形式的振动。Table2.Naturalfrequenciesofthefirstfourorders表2.前四阶的固有频率模态阶数固有频率(Hz)振型说明1143箱体z向振动2254箱体x向振动3339箱体扭曲变形43