网格变形技术在空调压缩机支架优化中的应用

摘要：采用有限元法对一款汽车空调压缩机支架进行强度和模态分析，强度计算结果表明该支架结构不存在强度风险，但模态结果显示一阶整体模态频率较低，存在风险，利用HyperMorph网格变形技术对支架进行优化，使支架一阶整体模态频率提高，降低其风险。
关键词：有限元法 网格变形 空调压缩机 支架 模态频率

1 引言

汽车空调压缩机的作用是维持制冷剂在制冷系统中的循环，吸入来自蒸发器的低温、低压制冷剂蒸气，压缩使蒸气压力和温度升高，并送往冷凝器。空调压缩机安装在支架上，支架与车身连接。在汽车行驶过程中，支架不仅承受支撑压缩机本身的质量，还承受由于路面颠簸、高速振动等一系列不同的载荷，因此，在支架结构设计中不仅要避免有疲劳破坏带来的风险，还应防止由于振动引起的破坏。

有限元法是目前研究此类问题最有效的方法之一，本文也是以有限元法为研究方法，以压缩机支架为研究对象，建立包含壳单元、刚性单元、集中质量单元的有限元模型，采用RADIOSS软件进行强度和模态计算，主要讲述和说明利用HyperMorph网格变形技术对空调压缩机支架风险区域进行结构优化的设计方法，优化结果表明基于网格变形技术的优化方法能很好地适用于支架结构的优化。

2 有限元建模

空调压缩机通过6个螺栓连接在支架底部，支架通过8个螺栓和车身连接在一起，水泵支架通过2个螺栓和支架底部连接，空调压缩机支架整体结构见图1。

在有限元模型中，支架本体、水泵连接支架等钣金件用板壳单元模拟，螺栓采用RBE2模拟，压缩机和水泵结构复杂，属于不关注结构，故采用刚性单元和集中质量单元组合的方式模拟，压缩机和水泵均简化为集中质量，采用CONM2集中质量单元模拟，质量单元与相连位置之间用RBE2连接。

图1 压缩机支架结构

3 分析结果

3.1强度分析

强度分析模拟汽车行驶中颠簸、制动和转弯3种工况下受到的载荷，工况载荷设置见表1，支架按照在实车中的连接关系，约束支架与车身连接处的6个自由度。

表1 载荷工况定义

强度分析结果显示在颠簸工况最大von Mises应力为23.991MPa，转弯工况最大von Mises应力为19.629MPa，制动工况最大von Mises应力为49.019MPa，详细结果见图2。

图2 应力计算结果

3种极限工况计算结果表明，各个工况下最大应力远远小于材料的屈服极限171MPa（按DC01材料校核），不存在强度风险。

3.2 模态分析

对支架总成进行约束模态计算，约束支架和车身连接处的全部自由度，模态计算范围0～100Hz，输出各个节点的应变能。

模态计算结果显示（见图3），压缩机支架一阶整体模态频率为19.586Hz，模态频率偏低，存在一定的风险，根据NVH分析经验，压缩机支架一阶整体模态频率应在25Hz以上，因此，需要对支架进行优化改进。

图3 模态计算结果

4 结构优化

根据应变能云图，在螺栓孔周围和支架折弯处应变能密度较大，根据一阶整体模态频率的变形动画，支架折弯处较弱，因此，综合考虑对支架折弯处进行加强和优化，才能改善支架的整体刚度，提高模态频率。

进行加强优化时，一般有增加料厚和改变结构2种方法，以改变结构的方法为基础，利用CAD软件进行结构改进优化，非常直观和有效，但是，结构改变后，需要重新进行网格划分或调整，分析效率较低，然而，用HyperMorph网格变形技术可以在网格模型上进行自由修改，能够快速实现与CAD软件部分相同的功能达到改变结构形状的目的。本支架结构中，在折弯处加筋可实现刚度的提升，因此，在起筋平面上建立局部坐标系，将需要加筋的位置作为网格变形区域参考局部坐标系建立Morph volumes，见图4，然后可以根据实际需要确定加强筋的高度，在Morph中对网格进行拉升变形，并对变形后的网格进行调整，利用网格变形技术做出的加强筋如图5所示。

图4 建立Morph volumes 图5 优化后模型

对改进后的支架结构进行重新计算，一阶整体模态频率为25.275Hz，优化后模态计算结果见图6，满足设计要求。

图6 优化后模态计算结果

5 结论

本文结合RADIOSS计算软件，应用HyperMorph网格变形技术对空调压缩机支架风险区域进行优化，经过优化，一阶整体模态频率提高了5.689Hz，提升率为29%，有效的提高了支架的刚度。

本文中应用的网格变形技术在优化过程中控制简单、直观，适用于整体结构中的局部优化和重新设计，优化工作在一个软件平台上进行，避免了CAD设计、网格划分和计算软件之间的数据传输，大大提高了工作效率，缩短了研发时间，降低了研发成本。