基于HyperWorks的汽車空氣濾清器模態分析

楊德銀，吳孟兵，王帥

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽車空氣濾清器一般設計成薄壁部件，壁厚通常 2mm-3mm，在整車行駛過程中，其殼體內部受到周期性變化的氣體壓力作用，同時又隨發動機的抖動而產生振動，容易產生輻射噪聲，輻射噪聲的大小與空氣濾清器殼體的固有頻率有關，如果殼體的固有頻率與發動機的點火激勵頻率相近，則會產生共振使得殼體輻射噪聲增大，導致整車的 NVH性能下降，影響乘坐舒適性，同時也會降低產品的使用壽命，引起疲勞損壞。因此對空氣濾清器殼體進行模態分析是產品開發過程中必不可少的環節[1]。

1 空氣濾清器殼體一階模態要求

1.1 產品的結構分析

圖1為某乘用車用空氣濾清器結構圖，空氣濾清器由上殼體、濾芯、下殼體、緩振軟墊及安裝螺栓組成，上殼體與下殼體材料均為PP-GF30，上殼體與下殼體通過6個M5螺栓固定。

圖1 空氣濾清器結構圖

1.2 設計要求

為降低空氣濾清器的殼體輻射噪聲，一般要求空氣濾清器殼體的一階模態應高于發動機在最高轉速時對應的點火頻率，參照通用汽車公司的設計資料[2]，對于不同缸數的發動機，空氣濾清器的一階模態要求見表1：

表1 空氣濾清器的一階模態要求

空氣濾清器殼體的模態通常會受到環境溫度的影響，一般情況下，在室溫下測得的空氣濾清器殼體模態會比在發艙實際工作環境（約 93℃）高出 5%～10%。該車型搭載的是四缸發動機，因此公司設計規范要求空氣濾清器一階模態頻率要大于250Hz。

2 有限元模型建立

2.1 分析軟件簡介

HyperWorks是美國Altair公司開發的有限元結構分析與優化軟件，可以解決工程分析及優化問題[3-4]。其中的HyperMesh子模塊是一個功能強大的前后處理平臺，它可以完整讀取幾何模型數據，具有強大的網格劃分和幾何清理功能，是目前應用最廣泛的前后處理軟件。

2.2 模型處理

分析空氣濾清器殼體模態時，一般不考慮濾芯的影響，將刪除濾芯的幾何模型導入HyperMesh中，為了保證網購劃分的質量和分析結果的準確性，減少工作量，利用Geom面板的quick edit及defeature等幾何清理工具對模型進行簡化處理，去掉不必要的小特征，如去掉較小的倒角和圓角，省略形狀復雜的非關鍵部分。

2.3 網格劃分

圖2 空氣濾清器網格劃分模型

對簡化后的模型利用 HyperMesh中的 2D面板的automesh進行網格劃分，采用edge deviation范圍設定的方式劃分網格，可以降低網格數量，網格單元尺寸采用 1mm-5mm，三角形網格，劃分后得到294335個網格單元和435380個節點，利用Tool面板的check elems進行網格質量檢查，主要檢查 min angle、max angle、length、connectivity及duplicates等參數，然后再利用Tools面板的edges進行自由邊及T形邊檢查，調整網格結構符合要求后利用3D面板的tetramesh生成實體網格，經過Tool面板的check elems進行網格扁平度檢查，調整網格合格后，利用 1D面板的 rigids將上殼體與下殼體的6個螺栓孔位置進行剛性連接，最終完成的有限元模型如圖2所示。

2.4 材料參數輸入

仿真計算材料輸入參數見表2：

表2 仿真計算材料特性參數

3 模態分析

3.1 模態求解

利用Analysis面板的OptiStruct進行求解運算，提取空氣濾清器前5階自由模態，結果如表3所示：

表3 空氣濾清器模態分析結果

空濾器的振動是各階模態的綜合反映，但低階模態對振動系統的影響最大，在此僅列出第一階、第二階模態振型，如圖3、圖4所示：

圖3 一階模態振型圖

圖4 二階模態振型圖

3.2 結果分析

從表二的分析結果看，空氣濾清器一階模態為205Hz，不符合設計要求，后期實際使用中易被發動機點火頻率激發產生共振，造成輻射噪聲大的隱患，需要進行結構優化。

4 優化設計

4.1 結構優化

根據仿真分析的一階模態振型，空氣濾清器上殼體中間部位振動位移最大，即意味著一階模態薄弱區域出現在空氣濾清器上殼體，空氣濾清器上殼體內部已經設計了較為致密的加強筋，殼體表面也進行了壓筋設計增加剛度，但模態仍然不滿足設計要求，分析原因主要是因為空氣濾清器頂置在發動機上部，空氣濾清器高度尺寸需要設計的較小，為保證消音容積要求，長度尺寸設定較大，殼體上表面呈現大面積薄壁結構，造成一階模態頻率偏低，需要對上殼體進行結構增強設計。

通過以上結構分析決定采取以下措施進行模態提升：

（1）在空氣濾清器上殼體內部增加兩道橫梁支撐，對上殼體大的空腔結構進行切分，以期改變空氣濾清器的模態振動特性，提高一階模態頻率，優化后的結構見圖5：

圖5 空氣濾清器上殼體優化后結構圖

（2）增加空氣濾清器上殼體與下殼體安裝點可以提高結構剛性，一階模態可以得到提升，將空氣濾清器上殼體與下殼體安裝螺栓數量由6個調整為8個，最終優化結構見圖6：

圖6 空氣濾清器優化后結構圖

4.2 優化分析

對優化后的結構重新進行模態仿真分析，得到空氣濾清器前5階模態結果如表4所示：

表4 空氣濾清器模態分析結果

其中第一階、第二階模態振型如圖7、圖8所示：

圖7 一階模態振型圖

圖8 二階模態振型圖

優化后，一階模態為264Hz，滿足設計要求，根據一階振型圖，振動位移最大的區域位于空氣濾清器下殼體底部，二階模態為322Hz，振動位移最大的區域位于下殼體前部。

綜合以上，空氣濾清器結構改進后，一階模態滿足設計要求，可以依據該數據進行后期產品工裝件開發。

5 結論

對于空氣濾清器結構進行模態分析，可從固有頻率和振型中得到其發生共振的頻率信息和振動形態信息，這對合理地設計空氣濾清器結構，使其具有良好的動態性能指標，具有重要的指導意義。

本文運用 HyperWorks軟件對空氣濾清器設計初期的方案進行了模態分析[5]，得到了空氣濾清器的各階模態及振型，發現了結構上的薄弱環節，及時對設計方案進行了優化改進，從而避免了后期的產品設變，節省大量的試驗和樣件制作工作，縮短了產品開發周期，同時減少了研發費用的投入。