基于Abaqus仿真分析的某項目空氣濾清器模態性能優化

白子琦 李光武

摘 要：汽車空氣濾清器工作時，容易受到發動機等運動部件的激勵，產生有害振動，傳播輻射噪聲。提升空濾的模態性能可以遏制振動與噪聲的傳播，一般情況下，主機廠要求空濾的一階固有頻率達到250Hz。文章以某車型空濾器性能優化為例，對空濾器進行了模態仿真，分析模態振型，通過調整上下殼體連接位置、合理布置加強肋、更改殼體材料等方法對空濾殼體模態進行了優化，使空濾器模態性能最終達到主機廠要求。

關鍵詞：空氣濾清器;模態分析;固有振動;固有頻率

中圖分類號：U464 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-46-03

Abstract： The air filter is easily affected by the engines excitation in its working process， which produces harmful vibrations and spreads radiated noise. Improving the modal performance of air filter can restrain the propagation of vibration and noise， generally， the manufacturer requires the first-order natural frequency of air filter to reach 250Hz. This paper takes the optimization of the air filter performance as an example， modal simulation of the air filter was carried out， the modal vibration mode was analyzed， and the air filter was optimized by adjusting the connection position of the upper and lower shells， reasonable arranging the ribs， and changing the air filter material to make the air filter modal performance finally reaches the requirements of the manufacturer.

Keywords： Air filter box; Modal analysis; Natural vibration; Natural vibration frequency

CLC NO.： U464 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-46-03

1 前言

空氣濾清器作為進氣系統的主要部件，其作用是過濾空氣中的灰塵、雜質，為發動機內部燃燒提供純凈的空氣。空濾器在工作過程中，殼體外部受到發動機振動的激勵，內部受到高速氣流的沖擊，容易產生有害振動，從而影響空濾器的使用壽命，造成漏氣、破裂、失效。

噪聲和振動與殼體的模態性能有關，提高空濾的模態性能，使其固有頻率遠離發動機激勵頻率時，可避免共振現象的發生，抑制輻射噪聲。本文以研究某車型空濾器結構和固有振動特性入手，對空濾器的初始設計進行模態仿真分析，并對空濾進行了結構優化、材料優化，使最終設計滿足發動機要求，并對仿真結果展開了討論。

2 空濾器模態分析理論

2.1 模態分析理論

模態分析[1]是一種研究結構動力特性的方法，應用振動理論求解結構的模態參數。每一階模態都對應特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。求解空濾器自由模態時，不考慮阻尼的影響，系統的動力學方程可表示為：

式中：[M]為質量矩陣;[K]為剛度矩陣;方程的解為：

解得特征方程為：

根據此式可求得多個特征值ω及特征向量x，對應系統的固有頻率值和各階振型。模態優化的過程就是通過分析各階振型，找出產品結構強度相對薄弱的位置并進行優化，使產品整體的固有頻率達到要求。在振動系統中，低階模態對系統的影響更大，進行模態分析時，重點研究空氣濾清器的1～4階模態的固有頻率和振型。

2.2 空濾器模態要求

發動機[2]工作時，氣流通過濾清器、進氣管路到達節氣門，節氣門周期性的開啟與閉合，使發動機氣缸中的周期性壓力脈動通過進氣管路傳遞至空濾。為避免空濾受發動機激勵形成共振，要求空濾的一階固有頻率需高于發動機的點火頻率。發動機點火頻率可通過計算獲得：

式中：n為發動機轉數;i為氣缸數。

對于四沖程發動機，根據計算，得出發動機點火頻率為200Hz。考慮到安全系數的影響，要求其濾清器的固有頻率需達到250Hz。

3 空濾器有限元模型的建立

3.1 空濾器幾何模型

本文的研究對象為發動機頂置空濾器，其三維模型如圖1所示。模型只包括空濾上殼體、空濾下殼體。做空濾模態分析時，一般不考慮內部濾芯的影響。

3.2 網格劃分

模型前處理工作是仿真分析前的重要一步，網格質量的優劣直接影響計算結果的準確性。將空濾器三維模型導入Hypermesh軟件中進行網格劃分，按照模型結構特點，選擇單元尺寸為2mm，在模型的表面上劃分面網格，然后調整網格結構，使面網格滿足網格單元質量要求;再根據四面體網格劃分方法，利用面網格生成體網格。生成的體網格共計225010個節點，682951個網格單元。

3.3 參數設置及邊界條件

空濾器上、下殼體材料初始為PP+TD20，該材料的彈性模量為2200MPa，密度為1.06e-9t/mm3，泊松比為0.38。約束上下殼體連接位置的6個自由度[3]，在Abaqus軟件中設置，其中三個螺栓連接采用MPC約束方式，插接約束設置為Tie約束形式，建立好的有限元模型如圖2所示。

4 空濾模態仿真及優化

4.1 空濾器結構優化及模態分析

將空濾器有限元模型導入Abaqus軟件中進行計算，利用Lanczos算法提取空濾器前四階模態，如圖3所示，系統的1階固有頻率為160.97Hz，不滿足高于250Hz的標準。根據初始狀態的仿真結果，進行多輪方案優化空濾結構。

優化方案一：調整中間及最右側卡接、螺接位置，使其更靠近小腔體。

方案一的修改變化如圖4所示，上下殼體在空濾中間及最右側卡接、螺接位置向小腔體位置移動。對方案一的模型進行模態仿真計算，仿真結果如圖5（a）所示，從振型上看，相比于初始設計，上下殼體連接處靠近小腔位置的變形量明顯減小。方案一的1階固有頻率為195.43Hz，相比于初始設計提升了37.36Hz。

優化方案二：在方案一的基礎上，加密殼體外部的加強肋。

增加殼體上的加強肋，可以提高空濾整體的結構強度，且無需增加太多重量。方案二在方案一的基礎上，增加殼體外部加強肋的數量，如圖4所示。圖5（b）為方案二的各階模態振型，方案二的一階固有頻率為198.33Hz，相比于方案一，只提升了2.9Hz。

優化方案三：在方案二的基礎上，在上殼體內部布置加強肋。

為消除上殼體頂部曲面的振動，在上殼體內部布置加強肋，其中，加強肋平均高度為14mm，厚度為1.5mm，加強肋之間間距為42mm，如圖4所示。對方案三進行仿真分析，仿真結果如圖5（c），可以看出，上殼體曲面振幅明顯減小，方案三的一階固有頻率達到229.99Hz，相比于方案二，提升了31.66Hz。但方案三的一階固有頻率仍未達到目標高于250Hz，后續需進一步優化空濾殼體模態。

4.2 空濾器材料優化及模態分析

殼體材料對殼體模態性能的影響極大，一般情況下，材料的彈性模量越大，密度越小，殼體的模態性能越好。PP+GF30是一種常用的空濾殼體材料，其彈性模量為5800MPa，泊松比為0.4，密度為1.13e-9 t/mm3。本文在空濾器結構為方案三的基礎上，提出三種材料方案優化殼體模態，分別為：

方案四：下殼體采用PP+GF30，上殼體為PP+TD20;

方案五：上殼體采用PP+GF30，下殼體為PP+TD20;

方案六：上、下殼體均采用PP+GF30。

對三種材料優化方案進行仿真分析，分析結果如表1所示，可以看出，方案五、方案六一階固有頻率滿足發動機要求，考慮到PP+GF30的價格高于PP+TD20，減少制造成本，選擇方案五為最終優化方案，方案五的一階固有頻率為283.52Hz。

5 結論

本文針對空氣濾清器在工作過程中產生的振動與噪聲問題，從殼體結構強度的角度出發，對濾清器的模態性能進行了仿真分析及優化。結果表明，合理設計上下殼體連接位置、在殼體上布置加強肋對空濾模態性能均有提升;又探究了殼體材料對模態性能的影響，將方案五：上殼體采用PP+GF30，下殼體采用PP+TD20材料選為空濾器最終方案，空濾一階固有頻率也從初始的160.97Hz提升至283.52Hz，優化后的結構滿足發動機要求，優化設計為產品開發提供了可靠的依據。

參考文獻

[1] 孟淼等.汽車空氣濾清器的結構分析及優化[J].噪聲振動與控制， 2016（4）.344-348.

[2] 郭付洋，陳劍.空氣濾清器的聲振耦合特性分析及優化[J].噪聲振動與控制，2011（4）.169-172.

[3] 馬春文.基于HYPERWORKS的空氣濾清器殼體模態分析方法[J].企業科技與發展，2014（10）26-27.