汽車空氣濾清器的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

佘振成

摘 要：本文主要針對(duì)現(xiàn)下汽車部件中空氣濾清器結(jié)構(gòu)，通過運(yùn)用HYPERMESH軟件來構(gòu)建有限元模型及對(duì)模型進(jìn)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(duì)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(jìn)氣系統(tǒng)的一個(gè)重要部件，它的用途是清除空氣中的微粒雜質(zhì)，給發(fā)動(dòng)機(jī)提供純凈的空氣?？諝鉃V清器容易受到進(jìn)氣系統(tǒng)中高速氣流以及發(fā)動(dòng)機(jī)外部激勵(lì)的影響，另外通常情況下被設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率和殼體固有頻率相接近會(huì)產(chǎn)生共振，并且輻射噪聲會(huì)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(shí)，應(yīng)該將其劃分成若干均等的網(wǎng)格，并將那些在三維實(shí)體中一些不必要的小線、小面直接去除掉，進(jìn)而縮短工作人員對(duì)模型的計(jì)算時(shí)間，減少其設(shè)計(jì)成本。此外，在對(duì)汽車空氣濾清器有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，可以直接省去對(duì)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(duì)模型進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格模塊，然后還要對(duì)這些模塊質(zhì)量進(jìn)行全面的檢測，若發(fā)現(xiàn)與預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)不符的問題，則要先采取優(yōu)化措施加以及時(shí)的調(diào)整，完全合格后才能生成實(shí)體單元。此外，還要利用焊點(diǎn)方式對(duì)空氣濾清器的上下殼體進(jìn)行有效連接，以便使其形成一個(gè)含有約320000多個(gè)節(jié)點(diǎn)和590000多個(gè)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(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、模態(tài)振型和阻尼比。對(duì)于文中的空氣濾清器殼體，忽略阻尼。在一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)影響最大的是低階模態(tài)，所以在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，空氣濾清器系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)反應(yīng)。一般情況下，當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于一階模態(tài)時(shí)，其會(huì)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(dòng)機(jī)外部激勵(lì)產(chǎn)生共振、噪聲及破壞等不良情況，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在對(duì)空氣濾清器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，就要嚴(yán)格按照出廠廠家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)一階模態(tài)值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，盡可能使其大于發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率。另外，汽車空氣濾清器模態(tài)值還會(huì)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(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于一階模態(tài)時(shí)，其殼體模態(tài)值基準(zhǔn)應(yīng)以275Hz為主，若是將HYPERMESH網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入NASTRAN軟件進(jìn)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(zhǔn)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(dāng)汽車濾清器在正常運(yùn)行階段時(shí)，其系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)因?yàn)闅怏w壓力的影響而出現(xiàn)濾清器變形量過大或者損壞等嚴(yán)重現(xiàn)象。如若按照出廠廠家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其系統(tǒng)內(nèi)的氣體壓力加載到l04Pa時(shí)，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(gè)基準(zhǔn)數(shù)值，則變形程度就會(huì)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(dāng)初始空濾空腔體積為8263cm3時(shí)，若是氣體壓力加載到l04Pa，則壓強(qiáng)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(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(jì)人員和技術(shù)人員就要對(duì)其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)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(gè)安裝點(diǎn)，盡量將其設(shè)計(jì)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(duì)濾清器下體部位的壁厚進(jìn)行合理調(diào)整，盡量結(jié)合實(shí)際情況來進(jìn)行。據(jù)相關(guān)實(shí)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(jì)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(duì)空氣濾清器在工作中易發(fā)生振動(dòng)和噪聲的問題，對(duì)空氣濾清器進(jìn)行了模態(tài)分析。使用HYPERMESH進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以降低設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)它的體積剛度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不符合企業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)，增加殼體厚度等進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

結(jié)語

綜上所述，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jì)的合理性、標(biāo)準(zhǔn)性以及規(guī)范性，這樣才能達(dá)到預(yù)期效果，提高汽車的運(yùn)行性能。

參考文獻(xiàn)

[1]李偉，史文庫.模態(tài)分析在輕型載貨車變型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008（4）：75-78.

[2]張力鋒.汽車空氣濾清器的噪聲特性研究[D].長春：長春工業(yè)大學(xué)，2015.

[3]盛敬.二沖程煤油發(fā)動(dòng)機(jī)爆震燃燒數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[4]馮建永，張建春，張華，等.汽車空氣濾清器過濾用材料的結(jié)構(gòu)與性能及其新產(chǎn)品研發(fā)[J].紡織學(xué)報(bào)，2013（6）：58-66.