杨德银，吴孟兵，王帅

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

引言

汽车空气滤清器一般设计成薄壁部件，壁厚通常 2mm-3mm，在整车行驶过程中，其壳体内部受到周期性变化的气体压力作用，同时又随发动机的抖动而产生振动，容易产生辐射噪声，辐射噪声的大小与空气滤清器壳体的固有频率有关，如果壳体的固有频率与发动机的点火激励频率相近，则会产生共振使得壳体辐射噪声增大，导致整车的 NVH性能下降，影响乘坐舒适性，同时也会降低产品的使用寿命，引起疲劳损坏。因此对空气滤清器壳体进行模态分析是产品开发过程中必不可少的环节[1]。

1 空气滤清器壳体一阶模态要求

1.1 产品的结构分析

图1为某乘用车用空气滤清器结构图，空气滤清器由上壳体、滤芯、下壳体、缓振软垫及安装螺栓组成，上壳体与下壳体材料均为PP-GF30，上壳体与下壳体通过6个M5螺栓固定。

图1 空气滤清器结构图

1.2 设计要求

为降低空气滤清器的壳体辐射噪声，一般要求空气滤清器壳体的一阶模态应高于发动机在最高转速时对应的点火频率，参照通用汽车公司的设计资料[2]，对于不同缸数的发动机，空气滤清器的一阶模态要求见表1：

表1 空气滤清器的一阶模态要求

空气滤清器壳体的模态通常会受到环境温度的影响，一般情况下，在室温下测得的空气滤清器壳体模态会比在发舱实际工作环境（约 93℃）高出 5%～10%。该车型搭载的是四缸发动机，因此公司设计规范要求空气滤清器一阶模态频率要大于250Hz。

2 有限元模型建立

2.1 分析软件简介

HyperWorks是美国Altair公司开发的有限元结构分析与优化软件，可以解决工程分析及优化问题[3-4]。其中的HyperMesh子模块是一个功能强大的前后处理平台，它可以完整读取几何模型数据，具有强大的网格划分和几何清理功能，是目前应用最广泛的前后处理软件。

2.2 模型处理

分析空气滤清器壳体模态时，一般不考虑滤芯的影响，将删除滤芯的几何模型导入HyperMesh中，为了保证网购划分的质量和分析结果的准确性，减少工作量，利用Geom面板的quick edit及defeature等几何清理工具对模型进行简化处理，去掉不必要的小特征，如去掉较小的倒角和圆角，省略形状复杂的非关键部分。

2.3 网格划分

图2 空气滤清器网格划分模型

对简化后的模型利用 HyperMesh中的 2D面板的automesh进行网格划分，采用edge deviation范围设定的方式划分网格，可以降低网格数量，网格单元尺寸采用 1mm-5mm，三角形网格，划分后得到294335个网格单元和435380个节点，利用Tool面板的check elems进行网格质量检查，主要检查 min angle、max angle、length、connectivity及duplicates等参数，然后再利用Tools面板的edges进行自由边及T形边检查，调整网格结构符合要求后利用3D面板的tetramesh生成实体网格，经过Tool面板的check elems进行网格扁平度检查，调整网格合格后，利用 1D面板的 rigids将上壳体与下壳体的6个螺栓孔位置进行刚性连接，最终完成的有限元模型如图2所示。

2.4 材料参数输入

仿真计算材料输入参数见表2：

表2 仿真计算材料特性参数

3 模态分析

3.1 模态求解

利用Analysis面板的OptiStruct进行求解运算，提取空气滤清器前5阶自由模态，结果如表3所示：

表3 空气滤清器模态分析结果

空滤器的振动是各阶模态的综合反映，但低阶模态对振动系统的影响最大，在此仅列出第一阶、第二阶模态振型，如图3、图4所示：

图3 一阶模态振型图

图4 二阶模态振型图

3.2 结果分析

从表二的分析结果看，空气滤清器一阶模态为205Hz，不符合设计要求，后期实际使用中易被发动机点火频率激发产生共振，造成辐射噪声大的隐患，需要进行结构优化。

4 优化设计

4.1 结构优化

根据仿真分析的一阶模态振型，空气滤清器上壳体中间部位振动位移最大，即意味着一阶模态薄弱区域出现在空气滤清器上壳体，空气滤清器上壳体内部已经设计了较为致密的加强筋，壳体表面也进行了压筋设计增加刚度，但模态仍然不满足设计要求，分析原因主要是因为空气滤清器顶置在发动机上部，空气滤清器高度尺寸需要设计的较小，为保证消音容积要求，长度尺寸设定较大，壳体上表面呈现大面积薄壁结构，造成一阶模态频率偏低，需要对上壳体进行结构增强设计。

通过以上结构分析决定采取以下措施进行模态提升：

（1）在空气滤清器上壳体内部增加两道横梁支撑，对上壳体大的空腔结构进行切分，以期改变空气滤清器的模态振动特性，提高一阶模态频率，优化后的结构见图5：

图5 空气滤清器上壳体优化后结构图

（2）增加空气滤清器上壳体与下壳体安装点可以提高结构刚性，一阶模态可以得到提升，将空气滤清器上壳体与下壳体安装螺栓数量由6个调整为8个，最终优化结构见图6：

图6 空气滤清器优化后结构图

4.2 优化分析

对优化后的结构重新进行模态仿真分析，得到空气滤清器前5阶模态结果如表4所示：

表4 空气滤清器模态分析结果

其中第一阶、第二阶模态振型如图7、图8所示：

图7 一阶模态振型图

图8 二阶模态振型图

优化后，一阶模态为264Hz，满足设计要求，根据一阶振型图，振动位移最大的区域位于空气滤清器下壳体底部，二阶模态为322Hz，振动位移最大的区域位于下壳体前部。

综合以上，空气滤清器结构改进后，一阶模态满足设计要求，可以依据该数据进行后期产品工装件开发。

5 结论

对于空气滤清器结构进行模态分析，可从固有频率和振型中得到其发生共振的频率信息和振动形态信息，这对合理地设计空气滤清器结构，使其具有良好的动态性能指标，具有重要的指导意义。

本文运用 HyperWorks软件对空气滤清器设计初期的方案进行了模态分析[5]，得到了空气滤清器的各阶模态及振型，发现了结构上的薄弱环节，及时对设计方案进行了优化改进，从而避免了后期的产品设变，节省大量的试验和样件制作工作，缩短了产品开发周期，同时减少了研发费用的投入。