基于HyperWorks的汽車空氣濾清器模態(tài)分析

楊德銀，吳孟兵，王帥

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車空氣濾清器一般設(shè)計(jì)成薄壁部件，壁厚通常 2mm-3mm，在整車行駛過(guò)程中，其殼體內(nèi)部受到周期性變化的氣體壓力作用，同時(shí)又隨發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，容易產(chǎn)生輻射噪聲，輻射噪聲的大小與空氣濾清器殼體的固有頻率有關(guān)，如果殼體的固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火激勵(lì)頻率相近，則會(huì)產(chǎn)生共振使得殼體輻射噪聲增大，導(dǎo)致整車的 NVH性能下降，影響乘坐舒適性，同時(shí)也會(huì)降低產(chǎn)品的使用壽命，引起疲勞損壞。因此對(duì)空氣濾清器殼體進(jìn)行模態(tài)分析是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。

1 空氣濾清器殼體一階模態(tài)要求

1.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析

圖1為某乘用車用空氣濾清器結(jié)構(gòu)圖，空氣濾清器由上殼體、濾芯、下殼體、緩振軟墊及安裝螺栓組成，上殼體與下殼體材料均為PP-GF30，上殼體與下殼體通過(guò)6個(gè)M5螺栓固定。

圖1 空氣濾清器結(jié)構(gòu)圖

1.2 設(shè)計(jì)要求

為降低空氣濾清器的殼體輻射噪聲，一般要求空氣濾清器殼體的一階模態(tài)應(yīng)高于發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)火頻率，參照通用汽車公司的設(shè)計(jì)資料[2]，對(duì)于不同缸數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)，空氣濾清器的一階模態(tài)要求見(jiàn)表1：

表1 空氣濾清器的一階模態(tài)要求

空氣濾清器殼體的模態(tài)通常會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，一般情況下，在室溫下測(cè)得的空氣濾清器殼體模態(tài)會(huì)比在發(fā)艙實(shí)際工作環(huán)境（約 93℃）高出 5%～10%。該車型搭載的是四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因此公司設(shè)計(jì)規(guī)范要求空氣濾清器一階模態(tài)頻率要大于250Hz。

2 有限元模型建立

2.1 分析軟件簡(jiǎn)介

HyperWorks是美國(guó)Altair公司開(kāi)發(fā)的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化軟件，可以解決工程分析及優(yōu)化問(wèn)題[3-4]。其中的HyperMesh子模塊是一個(gè)功能強(qiáng)大的前后處理平臺(tái)，它可以完整讀取幾何模型數(shù)據(jù)，具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分和幾何清理功能，是目前應(yīng)用最廣泛的前后處理軟件。

2.2 模型處理

分析空氣濾清器殼體模態(tài)時(shí)，一般不考慮濾芯的影響，將刪除濾芯的幾何模型導(dǎo)入HyperMesh中，為了保證網(wǎng)購(gòu)劃分的質(zhì)量和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少工作量，利用Geom面板的quick edit及defeature等幾何清理工具對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去掉不必要的小特征，如去掉較小的倒角和圓角，省略形狀復(fù)雜的非關(guān)鍵部分。

2.3 網(wǎng)格劃分

圖2 空氣濾清器網(wǎng)格劃分模型

對(duì)簡(jiǎn)化后的模型利用 HyperMesh中的 2D面板的automesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用edge deviation范圍設(shè)定的方式劃分網(wǎng)格，可以降低網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格單元尺寸采用 1mm-5mm，三角形網(wǎng)格，劃分后得到294335個(gè)網(wǎng)格單元和435380個(gè)節(jié)點(diǎn)，利用Tool面板的check elems進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，主要檢查 min angle、max angle、length、connectivity及duplicates等參數(shù)，然后再利用Tools面板的edges進(jìn)行自由邊及T形邊檢查，調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)符合要求后利用3D面板的tetramesh生成實(shí)體網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)Tool面板的check elems進(jìn)行網(wǎng)格扁平度檢查，調(diào)整網(wǎng)格合格后，利用 1D面板的 rigids將上殼體與下殼體的6個(gè)螺栓孔位置進(jìn)行剛性連接，最終完成的有限元模型如圖2所示。

2.4 材料參數(shù)輸入

仿真計(jì)算材料輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2：

表2 仿真計(jì)算材料特性參數(shù)

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)求解

利用Analysis面板的OptiStruct進(jìn)行求解運(yùn)算，提取空氣濾清器前5階自由模態(tài)，結(jié)果如表3所示：

表3 空氣濾清器模態(tài)分析結(jié)果

空濾器的振動(dòng)是各階模態(tài)的綜合反映，但低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的影響最大，在此僅列出第一階、第二階模態(tài)振型，如圖3、圖4所示：

圖3 一階模態(tài)振型圖

圖4 二階模態(tài)振型圖

3.2 結(jié)果分析

從表二的分析結(jié)果看，空氣濾清器一階模態(tài)為205Hz，不符合設(shè)計(jì)要求，后期實(shí)際使用中易被發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率激發(fā)產(chǎn)生共振，造成輻射噪聲大的隱患，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)仿真分析的一階模態(tài)振型，空氣濾清器上殼體中間部位振動(dòng)位移最大，即意味著一階模態(tài)薄弱區(qū)域出現(xiàn)在空氣濾清器上殼體，空氣濾清器上殼體內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計(jì)了較為致密的加強(qiáng)筋，殼體表面也進(jìn)行了壓筋設(shè)計(jì)增加剛度，但模態(tài)仍然不滿足設(shè)計(jì)要求，分析原因主要是因?yàn)榭諝鉃V清器頂置在發(fā)動(dòng)機(jī)上部，空氣濾清器高度尺寸需要設(shè)計(jì)的較小，為保證消音容積要求，長(zhǎng)度尺寸設(shè)定較大，殼體上表面呈現(xiàn)大面積薄壁結(jié)構(gòu)，造成一階模態(tài)頻率偏低，需要對(duì)上殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)增強(qiáng)設(shè)計(jì)。

通過(guò)以上結(jié)構(gòu)分析決定采取以下措施進(jìn)行模態(tài)提升：

（1）在空氣濾清器上殼體內(nèi)部增加兩道橫梁支撐，對(duì)上殼體大的空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行切分，以期改變空氣濾清器的模態(tài)振動(dòng)特性，提高一階模態(tài)頻率，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5：

圖5 空氣濾清器上殼體優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖

（2）增加空氣濾清器上殼體與下殼體安裝點(diǎn)可以提高結(jié)構(gòu)剛性，一階模態(tài)可以得到提升，將空氣濾清器上殼體與下殼體安裝螺栓數(shù)量由6個(gè)調(diào)整為8個(gè)，最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6：

圖6 空氣濾清器優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖

4.2 優(yōu)化分析

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行模態(tài)仿真分析，得到空氣濾清器前5階模態(tài)結(jié)果如表4所示：

表4 空氣濾清器模態(tài)分析結(jié)果

其中第一階、第二階模態(tài)振型如圖7、圖8所示：

圖7 一階模態(tài)振型圖

圖8 二階模態(tài)振型圖

優(yōu)化后，一階模態(tài)為264Hz，滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)一階振型圖，振動(dòng)位移最大的區(qū)域位于空氣濾清器下殼體底部，二階模態(tài)為322Hz，振動(dòng)位移最大的區(qū)域位于下殼體前部。

綜合以上，空氣濾清器結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，一階模態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求，可以依據(jù)該數(shù)據(jù)進(jìn)行后期產(chǎn)品工裝件開(kāi)發(fā)。

5 結(jié)論

對(duì)于空氣濾清器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，可從固有頻率和振型中得到其發(fā)生共振的頻率信息和振動(dòng)形態(tài)信息，這對(duì)合理地設(shè)計(jì)空氣濾清器結(jié)構(gòu)，使其具有良好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，具有重要的指導(dǎo)意義。

本文運(yùn)用 HyperWorks軟件對(duì)空氣濾清器設(shè)計(jì)初期的方案進(jìn)行了模態(tài)分析[5]，得到了空氣濾清器的各階模態(tài)及振型，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，從而避免了后期的產(chǎn)品設(shè)變，節(jié)省大量的試驗(yàn)和樣件制作工作，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)減少了研發(fā)費(fèi)用的投入。