同济大学汽车学院 / 蔡俊敏

进气压力传感器模态分析与优化

同济大学汽车学院 / 蔡俊敏

本文介绍运用有限元法，模态分析降低结构失效风险，为进气压力传感器的可靠性开发提供了可借鉴的思路。

进气压力传感器、模态分析

1.壳体模态分析与优化

首先，通过CATIA V5建立分析模型。为避免出现畸形单元，提高网格划分速率，节省计算时间，对模型做必要简化[1]。如将芯片腔室内的电子零件，如IC芯片、PCB板等作为质量点施加在模型上。比较连接器的插针质量0.72 g与模型的总质量26.2g后，忽略其重量。将接插件的线束接头重量等效为惯性质量10g。

从模态分析的计算结果表1来看，进气压力传感器的一阶振型为传感器接插件连接处发生z向上的局部弯曲，振幅较大，壳体与电气接口的连接过渡角刚度较差，固有频率在常温23℃时为792Hz，在120℃时为530Hz。

由应力分布云图可知，应力集中于壳体与电气接口的连接过渡角，与实际疲劳断裂位置一致。根据第四强度理论，当温度120℃，选择模态阻尼0.02时，其最大疲劳应力已经超过材料的疲劳极限，可能导致传感器发生疲劳断裂失效。因此需要对传感器结构进行优化。

根据相关工程经验与理论知识，通过在传感器支架上增加加强筋，改变加强筋的数量（从3根变成4根），增加加强筋的厚度（从1.25mm变成1.5mm）。不仅可以提升支架的强度，也可以缓解支架局部应力值增加。

保持一阶xyz方向的频率响应输入不变，再次进行结构模态分析，得到最大的应力幅值出现在z方向上，即模态振型仍然为系统的z向弯曲振动，且应力仍然不变。

如表2所示，虽然应力集中位置未发生改变，但是优化后其结构固有频率得到提高，有效规避了正弦振动载荷谱的激振频率，且与激振频率没有倍数关系，其局部应力值也小于材料的疲劳极限，局部位移形变也得到改善，提高了刚度。

表1 模态分析计算结果（优化前）

表2 模态分析计算结果（优化后）

2.总结

通过运用有限元方法及模态分析能够有效考核其结构强度与刚度在不同温度工作环境下抵抗外部激励的能力，降低结构失效风险。

[1]石海星.硅桥式压阻压力传感器温度补偿电路的设计[D].四川∶西南交通大学，2012.

This article describes apply modal analysis to reduce structural failure risk which can provide reference for the intake air pressure sensor reliability development.

∶ intake air pressure sensor，modal analysis