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計開發過程中，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。在有限元模型基礎上，利用OptiStruct求解器對空濾器裝置進行了模態和沖擊強度分析，驗證設計方案的合理性。

一、引言

空濾器及其支架作為汽車動力系統的主要部件之一，與增壓器等零部件相連接，其受到來自發動機不同工作轉速下的激勵載荷，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，就會產生共振，導致支架局部區域出現較大共振載荷，一方面會產生較大的噪音，影響車輛的NVH;另一方面載荷增大，會產生局部應力集中，零部件及系統的可靠性大大降低。

另外，車輛在加速、減速、轉彎、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求解器進行系統的模態分析;運用材料線性分析考察支架的靜態強度，根據分析結果判定設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，根據設計和布置空間，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進行網格劃分。在進行網格劃分時，根據部件的幾何特征，空濾器前、后支架⑤和⑦使用殼單元，單元類型為CTRIA3和CQUAD4，網格尺寸設置為2mm;臟空氣導管、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點數2027787，單元數1699291，空濾器裝置有限元模型及局部細節圖如圖2、圖3所示。

三、空濾器裝置的模態分析

1、模態理論

所謂模態，即一個物體的固有頻率和振型。模態是動態設計中的重要參數，也是諧響應分析和譜分析的起點。模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用，是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。

當利用有限元方法求解結構的動態特性時，結構的動力學方程為：

Mx"+Cx+Kx=f（t）

其中，M為質量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，f（t）為激勵力。

在模態求解時，假定結構自由振動，則取f（t）=0。同時因結構阻尼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為系統的固有系統，Φ為相應的振型，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建立模態分析時，設定模態數為0～30，設定頻率范圍為0～800Hz，針對該車型來說，這樣的設定從工程應用角度來說足夠了。

4、材料設定

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、模態分析

將之前的模型設定好之后，提交OptiStruct求解器進行求解，得到模態頻率值如表2所示。圖5為空濾器裝置前4階的模態振型圖。

空濾器支架是固結在車體上的，其主要目的是支持和連接空濾器，而空濾器與發動機進氣系統相連接，所以空濾器受到的激勵頻率主要來自于發動機。

發動機轉速決定了發動機激勵頻率。根據發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動機的激勵頻率，以此分析發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，發動機即增程器，不參與整車驅動，只是用它來發電供動力電池。該增程器的常用工作轉速為1500rpm、2500rpm和4000rpm三個轉速。

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

從分析數據來看，在發動機轉速為2500rpm和4000rpm時，與空濾器裝置的3階模態頻率和8階模態頻率接近，將有可能在該區間某一頻率發生共振，所以需要進一步優化，以防止產生共振現象。

四、空濾器裝置的沖擊強度分析

1、力學理論

力學分析是結構有限元分析的基礎和主要內容，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構的響應，它不考慮慣性和阻尼的影響。通過力分析，可以校核結構的強度和剛度是否滿足設計要求。

線性力結構分析用來分析結構在給定力載荷作用下的響應。一般情況下，比較關注的往往是結構的位移，約束反力，應力以及應變等參數。動力學方程為：

[M]{X}+[C]{x}+[K]{x}={F（t））

其中：[M]為質量矩陣;[C]為阻尼矩陣;[K]為剛度系數矩陣;{X}為位移矢量;{F}為力矢量。

線性力結構分析中，所有與時間相關的選項都被忽略，于是上式簡化為：

[K]{x}= {F}

在分析過程中應該滿足以下假設條件：[K]矩陣必須是連續的，相應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，受到沖擊的典型工況為制動、轉彎和顛簸，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。

空濾器裝置在受到沖擊載荷時，因空濾器支架是金屬部件，且與車體固結，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力云圖。從計算分析結果來看，在車輛制動工況下，其最大應力為17.3MPa，最大應力出現在固定波紋管的螺栓附近，轉彎工況下，最大應力為7.4MPa，最大應力位置為圖示支架折彎處，顛簸工況的最大應力為23.2MPa，位置與制動工況類似，出現在固定波紋管的螺栓附近。三種工況下，其最大應力都沒有超過其材料的屈服強度185Mpa，整體滿足設計要求。圖9～11為空濾器后支架在三種工況下的應力云圖。從計算分析結果來看，在車輛制動工況下，其最大應力為9.9MPa，最大應力出現在固定車體的螺栓附近，轉彎工況下，最大應力為4.lMPa，最大應力位置為圖示支架折彎處，顛簸工況的最大應力為37.2MPa，位置與制動工況類似，出現在固定車體的螺栓附近。三種工況下，其最大應力都沒有超過其材料的屈服強度185MPa，整體滿足設計要求。

五、結語

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，在此基礎上，用OptiStruct求解器進行模態和沖擊強度分析，分析和驗證空濾器裝置設計的合理性。

本文對空濾器進行模態分析后，發現其和發動機頻率之間有共振分析，建議后期進行設計優化，以達到合理的頻率區間，避開共振區域。