基于OptiStruct的某車型空濾器裝置分析

蔡培裕 張克鵬

在某車型空濾器裝置設(shè)計開發(fā)過程中，利用CATIA建立了該裝置的幾何模型，使用HyperWorks平臺有限元前處理軟件HyperMesh建立該裝置的有限元模型。在有限元模型基礎(chǔ)上，利用OptiStruct求解器對空濾器裝置進行了模態(tài)和沖擊強度分析，驗證設(shè)計方案的合理性。

一、引言

空濾器及其支架作為汽車動力系統(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)動機不同工作轉(zhuǎn)速下的激勵載荷，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，一方面會產(chǎn)生較大的噪音，影響車輛的NVH;另一方面載荷增大，會產(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、上下振動等情況下，空濾器也會隨之運動，因此，空濾器支架的強度必須滿足要求，以保證空濾器為汽車正常行駛及發(fā)動機提供正常空氣。

本文利用HyperMesh建立整個空濾器及支架的有限元模型，利用OptiStruct求解器進行系統(tǒng)的模態(tài)分析;運用材料線性分析考察支架的靜態(tài)強度，根據(jù)分析結(jié)果判定設(shè)計方案的可靠性和合理性。

二、空濾器支架的有限元模型建立

1、幾何模型建立

在建立有限元模型之前，首先需要確認空濾器支架的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)計和布置空間，功能和空氣動力學性能要求，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。

2、有限元模型的建立

針對空濾器裝置，文章采用主流CAE前處理軟件HyperMesh進行網(wǎng)格劃分。在進行網(wǎng)格劃分時，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CTRIA3和CQUAD4，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CTETRA，單元尺寸為2mm;波紋管和進氣軟件用彈簧單元替代，單元類型為CELAS1。最終有限元模型共有節(jié)點數(shù)2027787，單元數(shù)1699291，空濾器裝置有限元模型及局部細節(jié)圖如圖2、圖3所示。

三、空濾器裝置的模態(tài)分析

1、模態(tài)理論

所謂模態(tài)，即一個物體的固有頻率和振型。模態(tài)是動態(tài)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是諧響應(yīng)分析和譜分析的起點。模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。

當利用有限元方法求解結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性時，結(jié)構(gòu)的動力學方程為：

Mx"+Cx+Kx=f（t）

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

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

Mx"+Kx=0

設(shè)特解 X二Φ^iwt

則微分方程化為

（K-w²M）Φ=0

得到特征方程：

|K-w²M|=0

w為系統(tǒng)的固有系統(tǒng)，Φ為相應(yīng)的振型，本次分析采用OptiStruct求解器，使用Lanczos方法提取特征值。

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RBE2，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。

3、載荷邊界條件

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

4、材料設(shè)定

在空濾器裝置中，參照圖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，計算中用到的材料屬性如表l所示。

5、模態(tài)分析

將之前的模型設(shè)定好之后，提交OptiStruct求解器進行求解，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。

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)動機進氣系統(tǒng)相連接，所以空濾器受到的激勵頻率主要來自于發(fā)動機。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定了發(fā)動機激勵頻率。根據(jù)發(fā)動機激勵頻率的計算公式，計算處于怠速工況和正常行駛工況下的發(fā)動機的激勵頻率，以此分析發(fā)動機的主要振動頻率范圍。由于該車型為增程式新能源汽車，發(fā)動機即增程器，不參與整車驅(qū)動，只是用它來發(fā)電供動力電池。該增程器的常用工作轉(zhuǎn)速為1500rpm、2500rpm和4000rpm三個轉(zhuǎn)速。

發(fā)動機激勵頻率=（發(fā)動機轉(zhuǎn)速×發(fā)動機缸數(shù)x2）÷（60×發(fā)動機沖程數(shù)），該車型匹配的發(fā)動機是某三缸機，通過計算可以得出其常用工況下發(fā)動機激勵頻率為37.5Hz、62.5Hz和100Hz。

從分析數(shù)據(jù)來看，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2500rpm和4000rpm時，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，所以需要進一步優(yōu)化，以防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

四、空濾器裝置的沖擊強度分析

1、力學理論

力學分析是結(jié)構(gòu)有限元分析的基礎(chǔ)和主要內(nèi)容，有著十分重要的實際意義。力學分析計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)的強度和剛度是否滿足設(shè)計要求。

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)。動力學方程為：

[M]{X}+[C]{x}+[K]{x}={F（t））

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，所有與時間相關(guān)的選項都被忽略，于是上式簡化為：

[K]{x}= {F}

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，同時不考慮隨時間變化的載荷，不考慮慣性（質(zhì)量、阻尼等）的影響。

2、沖擊強度分析

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、轉(zhuǎn)彎和顛簸，對空濾器裝置進行動力學分析或者試驗測試，可以計算或者測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空濾器裝置的試驗測試。

空濾器裝置在受到?jīng)_擊載荷時，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險最大，因此，本文在沖擊分析時，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。從計算分析結(jié)果來看，在車輛制動工況下，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度185Mpa，整體滿足設(shè)計要求。圖9～11為空濾器后支架在三種工況下的應(yīng)力云圖。從計算分析結(jié)果來看，在車輛制動工況下，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.lMPa，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度185MPa，整體滿足設(shè)計要求。

五、結(jié)語

本文以某車型空濾器裝置為研究對象，運用CATIA建立了空濾器裝置幾何模型，利用HyperMesh建立了裝置的有限元模型，在此基礎(chǔ)上，用OptiStruct求解器進行模態(tài)和沖擊強度分析，分析和驗證空濾器裝置設(shè)計的合理性。

本文對空濾器進行模態(tài)分析后，發(fā)現(xiàn)其和發(fā)動機頻率之間有共振分析，建議后期進行設(shè)計優(yōu)化，以達到合理的頻率區(qū)間，避開共振區(qū)域。