白子琦 李光武

摘 要：汽車空氣濾清器工作時(shí)，容易受到發(fā)動(dòng)機(jī)等運(yùn)動(dòng)部件的激勵(lì)，產(chǎn)生有害振動(dòng)，傳播輻射噪聲。提升空濾的模態(tài)性能可以遏制振動(dòng)與噪聲的傳播，一般情況下，主機(jī)廠要求空濾的一階固有頻率達(dá)到250Hz。文章以某車型空濾器性能優(yōu)化為例，對(duì)空濾器進(jìn)行了模態(tài)仿真，分析模態(tài)振型，通過調(diào)整上下殼體連接位置、合理布置加強(qiáng)肋、更改殼體材料等方法對(duì)空濾殼體模態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，使空濾器模態(tài)性能最終達(dá)到主機(jī)廠要求。

關(guān)鍵詞：空氣濾清器;模態(tài)分析;固有振動(dòng);固有頻率

中圖分類號(hào)：U464 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：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(jìn)氣系統(tǒng)的主要部件，其作用是過濾空氣中的灰塵、雜質(zhì)，為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒提供純凈的空氣?？諡V器在工作過程中，殼體外部受到發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)，內(nèi)部受到高速氣流的沖擊，容易產(chǎn)生有害振動(dòng)，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(dòng)與殼體的模態(tài)性能有關(guān)，提高空濾的模態(tài)性能，使其固有頻率遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率時(shí)，可避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，抑制輻射噪聲。本文以研究某車型空濾器結(jié)構(gòu)和固有振動(dòng)特性入手，對(duì)空濾器的初始設(shè)計(jì)進(jìn)行模態(tài)仿真分析，并對(duì)空濾進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化，使最終設(shè)計(jì)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，并對(duì)仿真結(jié)果展開了討論。

2 空濾器模態(tài)分析理論

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析[1]是一種研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的方法，應(yīng)用振動(dòng)理論求解結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。每一階模態(tài)都對(duì)應(yīng)特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。求解空濾器自由模態(tài)時(shí)，不考慮阻尼的影響，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可表示為：

式中：[M]為質(zhì)量矩陣;[K]為剛度矩陣;方程的解為：

解得特征方程為：

根據(jù)此式可求得多個(gè)特征值ω及特征向量x，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的固有頻率值和各階振型。模態(tài)優(yōu)化的過程就是通過分析各階振型，找出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)薄弱的位置并進(jìn)行優(yōu)化，使產(chǎn)品整體的固有頻率達(dá)到要求。在振動(dòng)系統(tǒng)中，低階模態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響更大，進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，重點(diǎn)研究空氣濾清器的1～4階模態(tài)的固有頻率和振型。

2.2 空濾器模態(tài)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)[2]工作時(shí)，氣流通過濾清器、進(jìn)氣管路到達(dá)節(jié)氣門，節(jié)氣門周期性的開啟與閉合，使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的周期性壓力脈動(dòng)通過進(jìn)氣管路傳遞至空濾。為避免空濾受發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)形成共振，要求空濾的一階固有頻率需高于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率。發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率可通過計(jì)算獲得：

式中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù);i為氣缸數(shù)。

對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)計(jì)算，得出發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率為200Hz。考慮到安全系數(shù)的影響，要求其濾清器的固有頻率需達(dá)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(duì)象為發(fā)動(dòng)機(jī)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(tài)分析時(shí)，一般不考慮內(nèi)部濾芯的影響。

3.2 網(wǎng)格劃分

模型前處理工作是仿真分析前的重要一步，網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。將空濾器三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇單元尺寸為2mm，在模型的表面上劃分面網(wǎng)格，然后調(diào)整網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，使面網(wǎng)格滿足網(wǎng)格單元質(zhì)量要求;再根據(jù)四面體網(wǎng)格劃分方法，利用面網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。生成的體網(wǎng)格共計(jì)225010個(gè)節(jié)點(diǎn)，682951個(gè)網(wǎng)格單元。

3.3 參數(shù)設(shè)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(gè)自由度[3]，在Abaqus軟件中設(shè)置，其中三個(gè)螺栓連接采用MPC約束方式，插接約束設(shè)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(tài)仿真及優(yōu)化

4.1 空濾器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及模態(tài)分析

將空濾器有限元模型導(dǎo)入Abaqus軟件中進(jìn)行計(jì)算，利用Lanczos算法提取空濾器前四階模態(tài)，如圖3所示，系統(tǒng)的1階固有頻率為160.97Hz，不滿足高于250Hz的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)初始狀態(tài)的仿真結(jié)果，進(jìn)行多輪方案優(yōu)化空濾結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化方案一：調(diào)整中間及最右側(cè)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(cè)卡接、螺接位置向小腔體位置移動(dòng)。對(duì)方案一的模型進(jìn)行模態(tài)仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖5（a）所示，從振型上看，相比于初始設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)提升了37.36Hz。

優(yōu)化方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，加密殼體外部的加強(qiáng)肋。

增加殼體上的加強(qiáng)肋，可以提高空濾整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且無需增加太多重量。方案二在方案一的基礎(chǔ)上，增加殼體外部加強(qiáng)肋的數(shù)量，如圖4所示。圖5（b）為方案二的各階模態(tài)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(yōu)化方案三：在方案二的基礎(chǔ)上，在上殼體內(nèi)部布置加強(qiáng)肋。

為消除上殼體頂部曲面的振動(dòng)，在上殼體內(nèi)部布置加強(qiáng)肋，其中，加強(qiáng)肋平均高度為14mm，厚度為1.5mm，加強(qiáng)肋之間間距為42mm，如圖4所示。對(duì)方案三進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)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(dá)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(dá)到目標(biāo)高于250Hz，后續(xù)需進(jìn)一步優(yōu)化空濾殼體模態(tài)。

4.2 空濾器材料優(yōu)化及模態(tài)分析

殼體材料對(duì)殼體模態(tài)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(tài)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(jié)構(gòu)為方案三的基礎(chǔ)上，提出三種材料方案優(yōu)化殼體模態(tài)，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(duì)三種材料優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)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(fā)動(dòng)機(jī)要求，考慮到PP+GF30的價(jià)格高于PP+TD20，減少制造成本，選擇方案五為最終優(yōu)化方案，方案五的一階固有頻率為283.52Hz。

5 結(jié)論

本文針對(duì)空氣濾清器在工作過程中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲問題，從殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度出發(fā)，對(duì)濾清器的模態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化。結(jié)果表明，合理設(shè)計(jì)上下殼體連接位置、在殼體上布置加強(qiáng)肋對(duì)空濾模態(tài)性能均有提升;又探究了殼體材料對(duì)模態(tài)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(yōu)化后的結(jié)構(gòu)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)為產(chǎn)品開發(fā)提供了可靠的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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