基于 CATIA 和 Abaqus 的某车型空滤器装置分析

1. 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。

 

本文利用有限元前处理软件建立整个空滤器及支架的有限元模型，利用 Abaqus 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。

 

2. 空滤器支架的有限元模型建立

2.1 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。

 

 

图 1. 某车型空滤器装置

 

图 1 中，空滤器装置各个主要部件为：①脏空气导管；②进气导管波纹管；③空滤器上盖；④空滤器基座；⑤空滤器后支架；⑥进气软管；⑦空滤器前支架。

 

2.2 有限元模型的建立

针对空滤器装置，文章先利用有限元前处理软件进行网格划分。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 S3 和 S4R，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 C3D4，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 SPRING2。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。

 

 

图 2. 空滤器装置有限元模型

 

 

图 3. 空滤器装置局部细节有限元模型

 

3. 空滤器装置的模态分析

3.1 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[1-2]。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：

 

 

 

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，则上式成为无阻尼自由振动方程：

 

 

 

ω为系统的固有系统，φ为相应的振型，本次分析采用 Abaqus 求解器，使用 Lanczos 方法提取特征值[3-6]。

 

3.2 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 KINCOUP，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。

 

 

图 4. 空滤器装置约束边界条件

 

3.3 载荷边界条件

在 Abaqus 软件中建立模态分析时，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。

 

3.4 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 1所示。

 

表 1 空滤器装置材料属性

 

 

3.5 模态分析

将之前的模型设定好之后，提交 Abaqus 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。

 

表 2 空滤器装置的模态频率

 

 

 

 

图 5. 空滤器装置前四阶振型图

 

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×2）÷（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。

 

4. 空滤器装置的冲击强度分析

4.1 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：

 

 

 

 

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：

 

 

 

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。

 

4.2 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。

 

表 3 空滤器装置工况及载荷

 

 

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 6 前支架制动工况应力云图

 

 

图 7 前支架转弯工况应力云图

 

 

图 8 前支架颠簸工况应力云图

 

 

图 9 前支架制动工况应力云图

 

 

图 10 后支架转弯工况应力云图

 

 

图 11 后支架颠簸工况应力云图

 

从计算分析结果来看，在车辆制动工况下，其最大应力为 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 4.1Mpa，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。

 

5. 结论

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，利用有限元前处理软件建立了装置的有限元模型，在此基础上，用 Abaqus 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。

 

资料来源：达索官方