佘振成

摘 要：本文主要針對現(xiàn)下汽車部件中空氣濾清器結(jié)構(gòu)，通過運用HYPERMESH軟件來構(gòu)建有限元模型及對模型進行全面研究，從而獲得汽車空氣濾清器結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)值以及剛度數(shù)值，并結(jié)合相應(yīng)的對比分析結(jié)果，提出了有效的優(yōu)化策略，供相關(guān)人員參考借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車空氣濾清器;結(jié)構(gòu)分析;優(yōu)化探討

空氣濾清器是汽車進氣系統(tǒng)的一個重要部件，它的用途是清除空氣中的微粒雜質(zhì)，給發(fā)動機提供純凈的空氣?？諝鉃V清器容易受到進氣系統(tǒng)中高速氣流以及發(fā)動機外部激勵的影響，另外通常情況下被設(shè)計成薄壁殼體形狀，導(dǎo)致容易產(chǎn)生輻射噪聲殼體噪聲大小與殼體固有頻率息息相關(guān)，如果發(fā)動機激勵頻率和殼體固有頻率相接近會產(chǎn)生共振，并且輻射噪聲會變大。

1 汽車空氣濾清器有限元模型的建立

1.1幾何清理

為了便于汽車空氣濾清器有限元模型的建立，相關(guān)技術(shù)人員在采用HYPERMESH軟件時，應(yīng)該將其劃分成若干均等的網(wǎng)格，并將那些在三維實體中一些不必要的小線、小面直接去除掉，進而縮短工作人員對模型的計算時間，減少其設(shè)計成本。此外，在對汽車空氣濾清器有限元模型進行模態(tài)分析時，可以直接省去對空氣濾清器內(nèi)部濾芯影響的分析。

1.2網(wǎng)格劃分

汽車空氣濾清器有限元模型的建立，一般是在三維建模軟件CATIA中建立，并可直接將有限元模型保存為中間格式，以便可以有效引入HYPERMESH軟件，對模型進行網(wǎng)格劃分。通常HYPERMESH軟件可以結(jié)合有限元模型結(jié)構(gòu)劃分為1.5mm標準的網(wǎng)格模塊，然后還要對這些模塊質(zhì)量進行全面的檢測，若發(fā)現(xiàn)與預(yù)期標準不符的問題，則要先采取優(yōu)化措施加以及時的調(diào)整，完全合格后才能生成實體單元。此外，還要利用焊點方式對空氣濾清器的上下殼體進行有效連接，以便使其形成一個含有約320000多個節(jié)點和590000多個單元的整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

2 汽車空氣濾清器模態(tài)分析要求及結(jié)果

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每個模態(tài)具有特定的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。對于文中的空氣濾清器殼體，忽略阻尼。在一個振動系統(tǒng)中，對系統(tǒng)影響最大的是低階模態(tài)，所以在進行模態(tài)分析時，通常只考慮空氣濾清器的前4階模態(tài)的固有頻率和振型。

空氣濾清器一般安裝在汽車發(fā)動機的進氣系統(tǒng)上，當發(fā)動機處于運行狀態(tài)時，空氣濾清器系統(tǒng)就會產(chǎn)生相應(yīng)的振動反應(yīng)。一般情況下，當汽車發(fā)動機處于一階模態(tài)時，其會導(dǎo)致空氣濾清器發(fā)出一定的噪音，而為了控制濾清器與發(fā)動機外部激勵產(chǎn)生共振、噪聲及破壞等不良情況，相關(guān)設(shè)計人員在對空氣濾清器結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，就要嚴格按照出廠廠家標準，對發(fā)動機一階模態(tài)值進行相應(yīng)的調(diào)整，盡可能使其大于發(fā)動機的點火頻率。另外，汽車空氣濾清器模態(tài)值還會隨著外界氣溫溫度的變化而發(fā)生相應(yīng)的改變，通常情況下，空氣濾清器殼體模態(tài)要低于外界溫度5%-10%。以某四缸汽車空氣濾清器為例，當發(fā)動機處于一階模態(tài)時，其殼體模態(tài)值基準應(yīng)以275Hz為主，若是將HYPERMESH網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入NASTRAN軟件進行模態(tài)分析求解，則最終的求解結(jié)果與所呈現(xiàn)的各缸體模態(tài)值相比，其一階模態(tài)值要低于基準值很多。

3 汽車空氣濾清器結(jié)構(gòu)體積剛度分析及結(jié)果

當汽車濾清器在正常運行階段時，其系統(tǒng)內(nèi)部會因為氣體壓力的影響而出現(xiàn)濾清器變形量過大或者損壞等嚴重現(xiàn)象。如若按照出廠廠家標準，對其系統(tǒng)內(nèi)的氣體壓力加載到l04Pa時，則汽車空氣濾清器結(jié)構(gòu)體積剛度必須處于3x10-3

cm3/Pa范圍內(nèi)，這樣才能避免系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或損壞現(xiàn)象，反之，若是大于這個基準數(shù)值，則變形程度就會十分明顯，空氣濾清器結(jié)構(gòu)體積剛度數(shù)值變化的前后狀態(tài)，當初始空濾空腔體積為8263cm3時，若是氣體壓力加載到l04Pa，則壓強后的空濾空腔體積就變化為8320cm3，而體積剛度也可利用公式（8320-8263）/105=5.7x10-3cm3/Pa來計算，由結(jié)果可得知該濾清器系統(tǒng)質(zhì)量出現(xiàn)很大的問題，屬于不合格產(chǎn)品。

4 汽車空氣濾清器結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以看出，若是汽車空氣濾清器結(jié)構(gòu)不符合相關(guān)設(shè)計標準時，則為了使其可以延長使用壽命，提升相應(yīng)的應(yīng)用功能，相關(guān)設(shè)計人員和技術(shù)人員就要對其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行全面的優(yōu)化，具體優(yōu)化措施有3種：①改善空氣濾清器的材料質(zhì)量，使之有原有的PP+TD20材料轉(zhuǎn)化成PP+GF30材料，或者將PP+TD20材料替換成PP+TD40材料;②在改變?yōu)V清器材質(zhì)的基礎(chǔ)上，還要增設(shè)兩個安裝點，盡量將其設(shè)計在空濾器的兩側(cè);③在將原有系統(tǒng)材料替換成新的材質(zhì)后，還要對濾清器下體部位的壁厚進行合理調(diào)整，盡量結(jié)合實際情況來進行。據(jù)相關(guān)實踐證明，經(jīng)過這3種優(yōu)化措施而成的汽車空氣濾清器系統(tǒng)，不僅性能穩(wěn)定，而且結(jié)構(gòu)體積剛度與模態(tài)數(shù)值都能夠與相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范要求相吻合，大大提升了汽車行駛的速率和安全性。

5 結(jié)論

①針對空氣濾清器在工作中易發(fā)生振動和噪聲的問題，對空氣濾清器進行了模態(tài)分析。使用HYPERMESH進行優(yōu)化設(shè)計，可以降低設(shè)計的盲目性，縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期和成本，為產(chǎn)品開發(fā)提供可靠的依據(jù)。

②利用HAPERMESH建立空氣濾清器的有限元模型，通過模態(tài)分析，得到了空氣濾清器的模態(tài)情況和振型分布，同時對它的體積剛度進行分析，發(fā)現(xiàn)不符合企業(yè)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于1階固有頻率和體積剛度的要求。接著通過改變殼體材料，增加安裝點，增加殼體厚度等進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

結(jié)語

綜上所述，在汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)中，空氣濾清器是其最關(guān)鍵的組成元件，必須重視濾清器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、標準性以及規(guī)范性，這樣才能達到預(yù)期效果，提高汽車的運行性能。

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