基于ABAQUS研究影响空滤壳体模态的材料特性

李光武 周维

摘 要：进气系统噪声是汽车的主要噪声源之一，它直接影响着车内噪声和通过噪声，从而影响着驾乘人员的驾乘感受和能否满足通过噪声的法规要求。空气滤清器作为进气系统的关键零部件之一，它不仅仅起到保護发动机的能力，还具备着降低进气系统噪声的能力。空滤的壳体模态直接影响着进气系统的辐射噪声，提高空滤的壳体模态，可以降低噪声，也可以避免空滤壳体的损坏，而影响空滤模态的因素主要为材料的杨氏模量、泊松比和密度，而三个因素是如何影响空滤的模态就需要通过仿真分析进行验证。文章通过Hyper mesh和ABAQUS软件进行空滤壳体模态联合仿真分析，验证各个因素对其的影响。

关键词：空滤;壳体模态;Hyper mesh;ABAQUS

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-176-03

Using ABAQUS to Valid How Factors of Material Affects Shell Mode of Air Filter Box

Li Guangwu， Zhou Wei

（ Brilliance Auto R&D Center， Powertrain Integrated Technology Section， Liaoning Shenyang 110000 ）

Abstract： Noise of intake system is one of the main noise souse of vehicle， it affects noise level of driving cab and bass-by noise directly， thus driving feeling and regulation of bass-by noise will be affected. As a main component of vehicle， air filter box not just protects engine， also has ability of noise elimination. Shell mode of air filter box affect radiation noise directly， so increasing shell mode of air filter box not just can reduce radiation noise also can avoid breakdown of air filter box. The factor that affect shell mode of air filter box are Youngs modulus， Poissons Ratio and density. Hyper mesh and ABAQUS will be used to simulate shell mode of air filter box and valid how these factors affect shell mode of air filter box.

Keywords： Air filter box; Shell mode; Hyper mesh; ABAQUS

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-176-03

1 前言

在进气系统前期开发阶段，流场仿真分析、声学仿真分析和结构模态仿真分析是设计和优化的主要依据。项目开发初期，NVH工程师会根据项目需求提出空气滤清器壳体一阶模态要求，提高一阶模态不仅可以降低空气滤清器的壳体辐射噪声，从而降低驾驶室噪声，提升驾驶感受，也可以有效避开发动机的二阶频率，避免共振使空气滤清器损坏[1][2]。空气滤清器壳体一阶模态只可以通过工装模具样件进行测试，在前期无法通过样件进行台架验证的前提下，我们可以通过使用ABAQUS去计算空气滤清器壳体一阶模态[3]。

本文通过改变影响空气滤清器壳体一阶模态的材料特性去验证各个材料参数对其的影响，从而可以在优化的过程中选择合适的材料优化空气滤清器壳体，以满足NVH要求。

2 壳体材料参数

2.1 弹性模量

材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量，它的表示方法可以是杨氏模量和体积模量等，在空气滤清器壳体模态仿真分析过程中，ABAQUS需要输入的为杨氏模量。为了对比弹性模量对空气滤清器壳体一阶模态的影响，壳体材料的弹性模量分别取1500MPa，2200MPa和3000MPa。

2.2 泊松比

泊松比是指材料在单项受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反应材料横向变形的弹性常数。为了对比泊松比对空气滤清器壳体一阶模态的影响，壳体材料的泊松比分别取0.2、0.38和0.45。

2.3 密度

密度是对特定体积内的质量的度量。为了对比密度对空气滤清器壳体一阶模态的影响，壳体的密度分别取0.5E-9t/ mm3、1.06E-9t/mm3和1.5E-9t/mm3。

3 建立有限元及边界条件

3.1 有限元网格建立

使用Hyper mesh划分空气滤清器上、下壳体的3D网格，网格大小为2mm，上壳体网格数量为417，713个，下壳体网格数量为304，103个，如图1。

3.2 边界条件设置

根据空气滤清器上、下壳体的装配方式，制定上、下壳体的接触，其中4点为Tie，3点为MPC连接，如图2。

3.3 壳体材料参数建立

3.3.1 验证弹性模量的影响

3.3.2 验证泊松比的影响

3.3.3 验证密度影响

4 仿真分析及结果

4.1 不同弹性模量的壳体一阶模态仿真结果

图3，图4，图5为泊松比和密度相同，弹性模量分别为1500MPa，2200MPa和3000MPa的壳体一阶模态仿真分析结果。

仿真分析结果：

（1）弹性模量为1500MPa的空气滤清器壳体一阶模态为：189.59Hz;

（2）弹性模量为2200MPa的空气滤清器壳体一阶模态为：229.76Hz;

（3）弹性模量为3000MPa的空气滤清器壳体一阶模态为：268.45Hz。

4.2 不同泊松比的壳体一阶模态仿真结果

图6，图7，图8为弹性模量和密度相同，泊松比分别为0.2，0.38和0.5的壳体一阶模态仿真分析结果。

仿真分析结果：

（1）泊松波为0.2的空气滤清器壳体一阶模態为：225.81Hz;

（2）泊松波为0.38的空气滤清器壳体一阶模态为：229.76Hz;

（3）泊松波为0.45的空气滤清器壳体一阶模态为：239.68Hz。

4.3 不同密度的壳体一阶模态仿真结果

图9，图10，图11为弹性模量和泊松比相同，密度分别为0.5E-9t/mm3、1.06E-9t/mm3和1.5E-9t/mm3的壳体一阶模态仿真分析结果。

仿真分析结果：

（1）密度为0.5E-9 t/mm3的空气滤清器壳体一阶模态为：335.02Hz;

（2）密度为1.06E-9 t/mm3的空气滤清器壳体一阶模态为：229.76Hz;

（3）密度为1.5 E-9 t/mm3的空气滤清器壳体一阶模态为：193.05Hz。

5 结论

根据仿真分析结果可知，空气滤清器壳体材料的弹性模量、泊松比和密度都会对空气滤清器壳体一阶模态产生影响：

（1）壳体材料的弹性模量越大，空气滤清器壳体一阶模态越大;

（2）壳体材料的泊松比越大，空气滤清器壳体一阶模态越大;

（3）壳体材料的密度越大，空气滤清器壳体一阶模态越小。

参考文献

[1] 李伟.模态分析在轻型载荷车变形设计中的应用[J].噪声与振动控制，2009（8）.

[2] 傅志方，华宏星.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[3] 史冬岩，庄重，高山，宋经远.基于ABAQUS的模态分析方法对比及验证[J].计算机辅助工程，2013.