1. 引言

空濾器及其支架作為汽車動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件之一，與增壓器等零部件相連接，其受到來自發(fā)動(dòng)機(jī)不同工作轉(zhuǎn)速下的激勵(lì)載荷，如果這些激振力頻率域支架的某一階固有頻率相吻合或者接近，就會(huì)產(chǎn)生共振，導(dǎo)致支架局部區(qū)域出現(xiàn)較大共振載荷，一方面會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，影響車輛的 NVH；另一方面載荷增大，會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，零部件及系統(tǒng)的可靠性大大降低。

 

另外，車輛在加速、減速、轉(zhuǎn)彎、上下振動(dòng)等情況下，空濾器也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，因此，空濾器支架的強(qiáng)度必須滿足要求，以保證空濾器為汽車正常行駛及發(fā)動(dòng)機(jī)提供正?？諝?。

 

本文利用有限元前處理軟件建立整個(gè)空濾器及支架的有限元模型，利用 Abaqus 求解器進(jìn)行系統(tǒng)的模態(tài)分析；運(yùn)用材料線性分析考察支架的靜態(tài)強(qiáng)度，根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計(jì)方案的可靠性和合理性。

 

2. 空濾器支架的有限元模型建立

2.1 幾何模型建立

在建立有限元模型之前，首先需要確認(rèn)空濾器支架的 3D 幾何模型，幾何模型是建立 CAE 有限元模型的基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計(jì)和布置空間，功能和空氣動(dòng)力學(xué)性能要求，在 CATIA 中建立如圖 1 所示的幾何模型，幾何模型生成后，為了建立有限元模型，需要將模型從 CATIA 中導(dǎo)出為.stp 格式。

 

 

圖 1. 某車型空濾器裝置

 

圖 1 中，空濾器裝置各個(gè)主要部件為：①臟空氣導(dǎo)管；②進(jìn)氣導(dǎo)管波紋管；③空濾器上蓋；④空濾器基座；⑤空濾器后支架；⑥進(jìn)氣軟管；⑦空濾器前支架。

 

2.2 有限元模型的建立

針對(duì)空濾器裝置，文章先利用有限元前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)部件的幾何特征，空濾器前、后支架⑤和⑦使用殼單元，單元類型為 S3 和 S4R，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 2mm；臟空氣導(dǎo)管、空濾器上蓋和基座用四面體單元，單元類型為 C3D4，單元尺寸為 2mm；波紋管和進(jìn)氣軟件用彈簧單元替代，單元類型為 SPRING2。最終有限元模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)2027787，單元數(shù) 1699291，空濾器裝置有限元模型及局部細(xì)節(jié)圖如圖 2、圖 3 所示。

 

 

圖 2. 空濾器裝置有限元模型

 

 

圖 3. 空濾器裝置局部細(xì)節(jié)有限元模型

 

3. 空濾器裝置的模態(tài)分析

3.1 模態(tài)理論

所謂模態(tài)，即一個(gè)物體的固有頻率和振型。模態(tài)是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，也是諧響應(yīng)分析和譜分析的起點(diǎn)。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法[1-2]。當(dāng)利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程為：

 

 

 

其中，M 為質(zhì)量矩陣，C 為阻尼矩陣，K 為剛度矩陣，f(t)為激勵(lì)力。

 

在模態(tài)求解時(shí)，假定結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)，則取 f(t)=0，。同時(shí)因結(jié)構(gòu)阻尼 C 很小，對(duì)固有頻率和陣型的影響很小，可忽略不計(jì)，則上式成為無阻尼自由振動(dòng)方程：

 

 

 

ω為系統(tǒng)的固有系統(tǒng)，φ為相應(yīng)的振型，本次分析采用 Abaqus 求解器，使用 Lanczos 方法提取特征值[3-6]。

 

3.2 約束邊界條件

模型中添加剛性單元（rigid bar element）RBE2 來定義剛性連接，在空濾器裝置的安裝孔處，總共添加 8處用于固定約束的 KINCOUP，如圖 4 所示三角形，分別位于空濾器支架及前端臟空氣導(dǎo)管安裝處，約束該安裝孔的 1~6 自由度。

 

 

圖 4. 空濾器裝置約束邊界條件

 

3.3 載荷邊界條件

在 Abaqus 軟件中建立模態(tài)分析時(shí)，設(shè)定模態(tài)數(shù)為0～30，設(shè)定頻率范圍為 0～800Hz，針對(duì)該車型來說，這樣的設(shè)定從工程應(yīng)用角度來說足夠了。

 

3.4 材料設(shè)定

在空濾器裝置中，參照?qǐng)D 1，其中⑤和⑦的材料為碳鋼 S185，①、③、④的材料為塑料 PP TD20，②、⑥的材料為橡膠 EPDM，計(jì)算中用到的材料屬性如表 1所示。

 

表 1 空濾器裝置材料屬性

 

 

3.5 模態(tài)分析

將之前的模型設(shè)定好之后，提交 Abaqus 求解器進(jìn)行求解，得到模態(tài)頻率值如表 2 所示。圖 5 為空濾器裝置前 4階的模態(tài)振型圖。

 

表 2 空濾器裝置的模態(tài)頻率

 

 

 

 

圖 5. 空濾器裝置前四階振型圖

 

空濾器支架是固結(jié)在車體上的，其主要目的是支持和連接空濾器，而空濾器與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)相連接，所以空濾器受到的激勵(lì)頻率主要來自于發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率的計(jì)算公式，計(jì)算處于怠速工況和正常行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，以此分析發(fā)動(dòng)機(jī)的主要振動(dòng)頻率范圍。由于該車型為增程式新能源汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)即增程器，不參與整車驅(qū)動(dòng)，只是用它來發(fā)電供動(dòng)力電池。該 增 程 器 的 常 用 工 作 轉(zhuǎn) 速 為 1500rpm 、 2500rpm 和4000rpm 三個(gè)轉(zhuǎn)速。

 

發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率=（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速×發(fā)動(dòng)機(jī)缸數(shù)×2）÷（60×發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)），該車型匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)是某三缸機(jī)，通過計(jì)算可以得出其常用工況下發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率為37.5Hz，62.5Hz 和 100Hz。從分析數(shù)據(jù)來看，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 2500rpm 和4000rpm 時(shí)，與空濾器裝置的 3 階模態(tài)頻率和 8 階模態(tài)頻率接近，將有可能在該區(qū)間某一頻率發(fā)生共振，所以需要進(jìn)一步優(yōu)化，以防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

 

4. 空濾器裝置的沖擊強(qiáng)度分析

4.1 力學(xué)理論

力學(xué)分析是結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容，有著十分重要的實(shí)際意義。力學(xué)分析計(jì)算在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響。通過力分析，可以校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

 

線性力結(jié)構(gòu)分析用來分析結(jié)構(gòu)在給定力載荷作用下的響應(yīng)。一般情況下，比較關(guān)注的往往是結(jié)構(gòu)的位移，約束反力，應(yīng)力以及應(yīng)變等參數(shù)。動(dòng)力學(xué)方程為：

 

 

 

 

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度系數(shù)矩陣；{x}為位移矢量；{F}為力矢量。線性力結(jié)構(gòu)分析中，所有與時(shí)間相關(guān)的選項(xiàng)都被忽略，于是上式簡化為：

 

 

 

在分析過程中應(yīng)該滿足以下假設(shè)條件：[K]矩陣必須是連續(xù)的，相應(yīng)的材料需滿足線彈性和小變形理論。{F}矩陣為力載荷，同時(shí)不考慮隨時(shí)間變化的載荷，不考慮慣性（質(zhì)量、阻尼等）的影響。

 

4.2 沖擊強(qiáng)度分析

空濾器裝置在車輛行駛過程中，受到?jīng)_擊的典型工況為制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎和顛簸，對(duì)空濾器裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析或者試驗(yàn)測(cè)試，可以計(jì)算或者測(cè)試出空濾器裝置的沖擊加速度，表 3 為三種工況下，作用在某車型空濾器裝置上的沖擊加速度，表 3 中的工況及加速度大小來源于整車廠對(duì)空濾器裝置的試驗(yàn)測(cè)試。

 

表 3 空濾器裝置工況及載荷

 

 

空濾器裝置在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，因空濾器支架是金屬部件，且與車體固結(jié)，空濾器支架受破壞風(fēng)險(xiǎn)最大，因此，本文在沖擊分析時(shí)，主要考察空濾器裝置的前后支架。

 

圖 6～8 為空濾器前支架在三種工況下的應(yīng)力云圖。從計(jì)算分析結(jié)果來看，在車輛制動(dòng)工況下，其最大應(yīng)力為 17.3Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定波紋管的螺栓附近，轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為 7.4Mpa，最大應(yīng)力位置為圖示支架折彎處，顛簸工況的最大應(yīng)力為 23.2Mpa，位置與制動(dòng)工況類似，出現(xiàn)在固定波紋管的螺栓附近。三種工況下，其最大應(yīng)力都沒有超過其材料的屈服強(qiáng)度 185Mpa，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

 

 

圖 6 前支架制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 7 前支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 8 前支架顛簸工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 9 前支架制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 10 后支架轉(zhuǎn)彎工況應(yīng)力云圖

 

 

圖 11 后支架顛簸工況應(yīng)力云圖

 

從計(jì)算分析結(jié)果來看，在車輛制動(dòng)工況下，其最大應(yīng)力為 9.9Mpa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在固定車體的螺栓附近，轉(zhuǎn)彎工況下，最大應(yīng)力為 4.1Mpa，最大應(yīng)力位置為圖示支架折彎處，顛簸工況的最大應(yīng)力為 37.2Mpa，位置與制動(dòng)工況類似，出現(xiàn)在固定車體的螺栓附近。三種工況下，其最大應(yīng)力都沒有超過其材料的屈服強(qiáng)度 185Mpa，整體滿足設(shè)計(jì)要求。

 

5. 結(jié)論

本文以某車型空濾器裝置為研究對(duì)象，運(yùn)用 CATIA建立了空濾器裝置幾何模型，利用有限元前處理軟件建立了裝置的有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用 Abaqus 求解器進(jìn)行模態(tài)和沖擊強(qiáng)度分析，分析和驗(yàn)證空濾器裝置設(shè)計(jì)的合理性。

 

本文對(duì)空濾器進(jìn)行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)其和發(fā)動(dòng)機(jī)頻率之間有共振分析，建議后期進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以達(dá)到合理的頻率區(qū)間，避開共振區(qū)域。

 

資料來源：達(dá)索官方