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[分享] 汽车后风挡热性能分析

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发表于 2020-9-8 09:37:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】汽车后风挡热性能分析
来源:期刊-《汽车工业研究》;作者:刘莹 印明勋 乔鑫(华晨汽车工程研究院)

摘要:汽车后风挡加热功能在保证玻璃透光性方面具有重要作用。对某型车后风挡进行热性能仿真分析,结果表明:该后风挡在加热过程中导热效果好,整体温度分布均匀,具有良好的融雪除雾作用。
关键词:汽车;后风挡;热性能;仿真分析
1引言
随着汽车工业的发展,带有加热功能的风挡玻璃在汽车中的应用越来越普遍。当汽车外部温度较低时,风挡玻璃内部会形成雾气,影响驾驶员视野;如果遇到冰雪等严寒天气,风挡玻璃上的积雪会在玻璃外表面凝结成冰,进行人工清理时不但费时费力,还可能划伤玻璃[1]。带有金属加热丝的风挡玻璃在通电情况下,温度在短时间内迅速升高,使其表面的雾气或冰雪在无需人工清理的情况下很快消失,并且在汽车行驶过程中能够持续保证风挡玻璃的透光性,因此大受青睐。然而,某些带有加热功能的汽车后风挡由于其加热电极以及金属加热丝的布置原因,导致后风挡在加热之后温度分布不均匀,使得玻璃上的雾气或冰雪不能够均匀消散而导致某些区域出现残留现象,这些残留区域会对驾驶员的后方视野产生很大影响[2]。图1所示为加热后出现残留区域的汽车后风挡。同时,大部分汽车风挡玻璃主要为钢化玻璃,该种玻璃的最大缺点是当其受到挤压作用时会发生自爆现象。当对风挡玻璃进行加热时,由于升温而产生的热膨胀以及风挡周围的约束作用势必会使玻璃内部产生挤压应力,若温度分布不均匀,会导致某些区域因挤压应力过高而产生自爆。因此,对汽车后风挡进行加热以后,其温度分布的均匀与否将直接影响其除雪效果和使用寿命[3]。
以某型车带有加热功能的后风挡为研究对象,利用Abaqus软件对该风挡玻璃进行仿真分析,获得其在加热后的温度分布情况,为初步评估其融雪除雾效果提供参考。

图1  加热后出现残留区域的后风挡

2热-电耦合瞬态分析
根据温度场是否是时间的函数即是否随时间变化,结构的热-电耦合分析主要包括瞬态分析法和稳态分析法。对于非周期性的加电传热过程,结构的温度不断的升高或降低,并在经历相当长的时间以后逐渐趋于平衡,这一类的传热过程即为瞬态传热[4]。针对瞬态传热问题采用热-电耦合瞬态分析法获取结构的温度场分布情况。
在瞬态分析中,系统热控制方程为:
[C] {dT/dt}+[K]{T}=[Q]
其中:Q为总热能,C为比热系数,K为导热系数,T为温度,t为时间。

3后风挡有限元模型
后风挡主要包括玻璃、金属加热丝以及加热电极三部分。在前处理过程中,对后风挡的各组成部分进行网格划分和单元建立。为了更好的模拟后风挡在加热以后的温度分布情况,将玻璃和加热电极均划分成一阶体网格单元,将金属加热丝划分成杆单元。玻璃总厚度为3.5mm,模型沿厚度方向均匀划分成两层单元,包括五面体单元(penta单元)和六面体单元(hexa单元)共479350个:其中五面体单元1850个,六面体单元477500个,两种单元边长最小为1mm,最大为2.6mm。加热电极位于玻璃左右两侧边缘处,宽度13mm,长度约为500mm,总厚度为0.15mm,模型沿厚度方向为一层单元,包括五面体单元和六面体单元共14421个:其中五面体单元12个,六面体单元14409个,两种单元边长均为1mm。金属加热丝共18条,位于玻璃内部,相邻两条金属加热丝之间的距离约为30mm,金属加热丝模型利用杆单元(truss单元)进行模拟,单元类型为DC1D2,单元直径为0.033mm,三种单元相接触的部分均采用共节点的方式进行连接。表1所列为后风挡各组成部分的材料参数,图2所示为后风挡有限元模型示意图。

表1  后风挡各组成部分材料参数


图2  后风挡有限元模型示意图

4后风挡仿真分析结果
整个后风挡的初始温度为23oC(室温)。后风挡中每段加热金属丝与电极之间独立连接,各段金属丝之间为并联关系。两电极之间的电势差为12V,全程通电时间为1800s。
利用Abaqus软件对后风挡进行加热状态下的温度分布仿真分析。图3中所示为后风挡在加热过程中的6个时刻的温度分布云图。由图可知:400s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度30.38 oC,平均温度为26.73 oC;700s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度33.75 oC,平均温度为30.09 oC;1000s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度37.12 oC,平均温度为33.45 oC;1300s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度40.49 oC,平均温度为36.81oC;1600s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度43.84 oC,平均温度为40.17 oC;1800s时刻,加热区域内风挡玻璃最高温度46.07 oC,平均温度为42.40 oC。从云图中可以看出,后风挡玻璃在每一时刻下的温度分布较为均匀,每两相邻加热丝之间区域的温度基本相同,有利于保证后风挡融雪除雾的均匀性和全面性,减小其残留面积。
同时,根据上述6个时刻的温度分布情况,绘制成如图4所示的风挡玻璃最高温度曲线图及平均温度曲线图。由图4可知,最高温度曲线与平均温度曲线几乎为平行关系,温差基本保持在3.67 oC左右,同时两曲线总体上均保持线性升温状态,升温速率均为0.67 oC/min左右。温差及升温速率基本为定值,表明后风挡玻璃的导热效果较好,能够在短时间内使得玻璃的每个区域同时升温,避免了因相邻区域温差较大而产生变形不一致并因为应力分布不均而导致后风挡玻璃发生自爆的现象。
     




图3  后风挡玻璃在不同时刻的温度分布云图

图4  后风挡玻璃最高温度曲线及平均温度曲线图

5结论
本文利用热-电耦合瞬态分析方法对某型车后风挡进行加热仿真分析。通过观察加热过程中的温度场分布情况,可以得到如下结论:在加热过程中,后风挡玻璃的升温速率为0.67 oC/min,导热效果较好,温差保持在3.67 oC,温度分布较为均匀,在保证后风挡融雪除雾的均匀性和全面性的同时,也可以避免因变形应力分布不均而导致后风挡玻璃发生自爆的现象。


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