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CAE在进气歧管设计中的应用

摘要：本文基于ABAQUS软件进行进气歧管模态分析,得到低阶固有频率值,并对几款机型的进气歧管进行对比.同时对较低固有频率的进气歧管进行结构加强,使之固有频率值增大,满足要求.对于不满足低阶固有频率要求的歧管进行下一步分析,通过螺栓孔输入激励,进行动态响应分析,查看其结果是否满足要求,为进气歧管初始设计提供一定的依据.

关键词：进气歧管；有限元分析；ABAQUS

1引言

在发动机研发项目中,进气歧管为重要的开发零件总成,其功能是发动机每个气缸提供清洁、干燥温度适当的空气,保证良好燃烧.而对于进气歧管本身设计也需规定一些参数要求,其中包括进气歧管的模态控制指标,目的为了不与发动机激励产生共振,提高NVH品质.

进气歧管材质分为塑料和铝合金,一般塑料歧管的阻尼大,即使塑料歧管存在共振现象,也不至于受振破坏,但铝合金歧管阻尼小,共振后会引起振动破坏的可能性,因此一般要使低阶频率大于发动机二阶激振频率,以保证产品的可靠性.对于两种材质歧管的CAE模态分析中,塑料材质分析要考虑动态响应分析来评价结果,铝合金材质提高低阶模态频率值,满足设计目标即可.

2铝台金材质

铝合金材质歧管结构进行模态频率的提取,ABAQUS软件操作是简单的,其目的是得到该结构的振型和固有频率.

2.1模态分析

分析模型包括进气歧管、节气门、支撑,节气门一般需要质心位置、质量、转动惯量,整个分析模型如图1所示.

零件之间螺栓连接,ABAQUS中可采用Coupling连接,不考虑之间的接触.通过计算得到振型如图2,一阶模态频率值为280Hz,大于发动机6000rpm时加权的二阶激振频率240Hz,也就是在发动机转速范围内不存在共振现象,该歧管设计可以满足频率标准的要求.对于不满足要求的,可以通过优化模型来提高固有频率值.

如进一步考察其强度及疲劳是否满足要求,可以按一般经验（四缸机）施加20g加速度载荷进行校核,同时也可对支架进行优化.应力分布结果如图3.

2.2模态频率试验对比

通过对铝合金歧管的自由模态频率进行仿真与试验对比,如表1,其频率误差小于5%,认为仿真是可靠的.

3塑料歧管

3.1模态分析

一般塑料歧管的材料为PA6+GF30,其在汽车的动力性、经济性、以及重量、成本等方面都较优于铝合金歧管,塑料歧管材料参数如表2.

3.2模态分析

塑料歧管的模态分析和前述的铝合金歧管在软件设置和方法上基本相同,仅在材料模块设置略有差别.例如某四缸机塑料歧管的在初始设计方案时,一阶模态频率92Hz,其振型如图4.频率值较低,需要在模型结构上添加加强筋来增加频率值,添加原则在应变能大,局部薄弱的地方进行构造.通过几次添加加强筋的方案优化后,最终得到的一阶模态频率为110Hz,其振型如图5.

3.3动力学分析

3.3.1分析思路

塑料歧管一般采用模态叠加法的稳态动力学分析,先提取特征模态,通过变换使系统进行解耦,得到一组模态坐标下的单自由度运动方程,求解方程后得到系统在模态坐标下的稳态响应后,再通过变换最终获得系统在物理坐标下的稳态响应.

3.3.2分析模型

以某三缸机为例,其模型如图6,将参考点与歧管螺栓孔耦合,该参考点作为约束和激励输入点.

3.3.3激励边界

在稳态动力学响应分析中,需要对歧管与缸盖的螺栓孔处输入来自发动机的激励,通过L EXCITE Power Unit计算整机动力学模型,得到螺栓处的激励曲线.该曲线横坐标为频率值,纵坐标为振动加速度值.如图7.

3.3.4分析结果

经过动力学计算,可得到在模态频率60Hz附加存在最大应力值,如图8.但并未超过塑料歧管的断裂强度极限.

在模态频率175Hz附加存在应力最值,如图9.但小于频率为60Hz的最大值.

4结语

(1)对于铝合金材质的进气歧管一阶模态频率一般都可以通过优化大于240Hz,保证设计的可靠性.