基于OptiStruct的某车型空滤器装置分析

蔡培裕 张克鹏

在某车型空滤器装置设计开发过程中，利用CATIA建立了该装置的几何模型，使用HyperWorks平台有限元前处理软件HyperMesh建立该装置的有限元模型。在有限元模型基础上，利用OptiStruct求解器对空滤器装置进行了模态和冲击强度分析，验证设计方案的合理性。

一、引言

空滤器及其支架作为汽车动力系统的主要部件之一，与增压器等零部件相连接，其受到来自发动机不同工作转速下的激励载荷，如果这些激振力频率域支架的某一阶固有频率相吻合或者接近，就会产生共振，导致支架局部区域出现较大共振载荷，一方面会产生较大的噪音，影响车辆的NVH;另一方面载荷增大，会产生局部应力集中，零部件及系统的可靠性大大降低。

另外，车辆在加速、减速、转弯、上下振动等情况下，空滤器也会随之运动，因此，空滤器支架的强度必须满足要求，以保证空滤器为汽车正常行驶及发动机提供正常空气。

本文利用HyperMesh建立整个空滤器及支架的有限元模型，利用OptiStruct求解器进行系统的模态分析;运用材料线性分析考察支架的静态强度，根据分析结果判定设计方案的可靠性和合理性。

二、空滤器支架的有限元模型建立

1、几何模型建立

在建立有限元模型之前，首先需要确认空滤器支架的3D几何模型，几何模型是建立CAE有限元模型的基础，根据设计和布置空间，功能和空气动力学性能要求，在CATIA中建立如图1所示的几何模型，几何模型生成后，为了建立有限元模型，需要将模型从CATIA中导出为stp格式。

2、有限元模型的建立

针对空滤器装置，文章采用主流CAE前处理软件HyperMesh进行网格划分。在进行网格划分时，根据部件的几何特征，空滤器前、后支架⑤和⑦使用壳单元，单元类型为CTRIA3和CQUAD4，网格尺寸设置为2mm;脏空气导管、空滤器上盖和基座用四面体单元，单元类型为CTETRA，单元尺寸为2mm;波纹管和进气软件用弹簧单元替代，单元类型为CELAS1。最终有限元模型共有节点数2027787，单元数1699291，空滤器装置有限元模型及局部细节图如图2、图3所示。

三、空滤器装置的模态分析

1、模态理论

所谓模态，即一个物体的固有频率和振型。模态是动态设计中的重要参数，也是谐响应分析和谱分析的起点。模态分析是研究结构动力特性的一种方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用，是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

当利用有限元方法求解结构的动态特性时，结构的动力学方程为：

Mx"+Cx+Kx=f（t）

其中，M为质量矩阵，C为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，f（t）为激励力。

在模态求解时，假定结构自由振动，则取f（t）=0。同时因结构阻尼C很小，对固有频率和阵型的影响很小，可忽略不计，則上式成为无阻尼自由振动方程：

Mx"+Kx=0

设特解 X二Φ^iwt

则微分方程化为

（K-w²M）Φ=0

得到特征方程：

|K-w²M|=0

w为系统的固有系统，Φ为相应的振型，本次分析采用OptiStruct求解器，使用Lanczos方法提取特征值。

2、约束边界条件

模型中添加刚性单元（rigid bar element） RBE2来定义刚性连接，在空滤器装置的安装孔处，总共添加8处用于固定约束的RBE2，如图4所示三角形，分别位于空滤器支架及前端脏空气导管安装处，约束该安装孔的1～6自由度。

3、载荷边界条件

在HyperMesh建立模态分析时，设定模态数为0～30，设定频率范围为0～800Hz，针对该车型来说，这样的设定从工程应用角度来说足够了。

4、材料设定

在空滤器装置中，参照图1，其中⑤和⑦的材料为碳钢S185，①、③、④的材料为塑料PP TD20，②、⑥的材料为橡胶EPDM，计算中用到的材料属性如表l所示。

5、模态分析

将之前的模型设定好之后，提交OptiStruct求解器进行求解，得到模态频率值如表2所示。图5为空滤器装置前4阶的模态振型图。

空滤器支架是固结在车体上的，其主要目的是支持和连接空滤器，而空滤器与发动机进气系统相连接，所以空滤器受到的激励频率主要来自于发动机。

发动机转速决定了发动机激励频率。根据发动机激励频率的计算公式，计算处于怠速工况和正常行驶工况下的发动机的激励频率，以此分析发动机的主要振动频率范围。由于该车型为增程式新能源汽车，发动机即增程器，不参与整车驱动，只是用它来发电供动力电池。该增程器的常用工作转速为1500rpm、2500rpm和4000rpm三个转速。

发动机激励频率=（发动机转速×发动机缸数x2）÷（60×发动机冲程数），该车型匹配的发动机是某三缸机，通过计算可以得出其常用工况下发动机激励频率为37.5Hz、62.5Hz和100Hz。

从分析数据来看，在发动机转速为2500rpm和4000rpm时，与空滤器装置的3阶模态频率和8阶模态频率接近，将有可能在该区间某一频率发生共振，所以需要进一步优化，以防止产生共振现象。

四、空滤器装置的冲击强度分析

1、力学理论

力学分析是结构有限元分析的基础和主要内容，有着十分重要的实际意义。力学分析计算在固定载荷作用下结构的响应，它不考虑惯性和阻尼的影响。通过力分析，可以校核结构的强度和刚度是否满足设计要求。

线性力结构分析用来分析结构在给定力载荷作用下的响应。一般情况下，比较关注的往往是结构的位移，约束反力，应力以及应变等参数。动力学方程为：

[M]{X}+[C]{x}+[K]{x}={F（t））

其中：[M]为质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度系数矩阵;{X}为位移矢量;{F}为力矢量。

线性力结构分析中，所有与时间相关的选项都被忽略，于是上式简化为：

[K]{x}= {F}

在分析过程中应该满足以下假设条件：[K]矩阵必须是连续的，相应的材料需满足线弹性和小变形理论。{F}矩阵为力载荷，同时不考虑随时间变化的载荷，不考虑惯性（质量、阻尼等）的影响。

2、冲击强度分析

空滤器装置在车辆行驶过程中，受到冲击的典型工况为制动、转弯和颠簸，对空滤器装置进行动力学分析或者试验测试，可以计算或者测试出空滤器装置的冲击加速度，表3为三种工况下，作用在某车型空滤器装置上的冲击加速度，表3中的工况及加速度大小来源于整车厂对空滤器装置的试验测试。

空滤器装置在受到冲击载荷时，因空滤器支架是金属部件，且与车体固结，空滤器支架受破坏风险最大，因此，本文在冲击分析时，主要考察空滤器装置的前后支架。

图6～8为空滤器前支架在三种工况下的应力云图。从计算分析结果来看，在车辆制动工况下，其最大应力为17.3MPa，最大应力出现在固定波纹管的螺栓附近，转弯工况下，最大应力为7.4MPa，最大应力位置为图示支架折弯处，颠簸工况的最大应力为23.2MPa，位置与制动工况类似，出现在固定波纹管的螺栓附近。三种工况下，其最大应力都没有超过其材料的屈服强度185Mpa，整体满足设计要求。图9～11为空滤器后支架在三种工况下的应力云图。从计算分析结果来看，在车辆制动工况下，其最大应力為9.9MPa，最大应力出现在固定车体的螺栓附近，转弯工况下，最大应力为4.lMPa，最大应力位置为图示支架折弯处，颠簸工况的最大应力为37.2MPa，位置与制动工况类似，出现在固定车体的螺栓附近。三种工况下，其最大应力都没有超过其材料的屈服强度185MPa，整体满足设计要求。

五、结语

本文以某车型空滤器装置为研究对象，运用CATIA建立了空滤器装置几何模型，利用HyperMesh建立了装置的有限元模型，在此基础上，用OptiStruct求解器进行模态和冲击强度分析，分析和验证空滤器装置设计的合理性。

本文对空滤器进行模态分析后，发现其和发动机频率之间有共振分析，建议后期进行设计优化，以达到合理的频率区间，避开共振区域。