基于ABAQUS的进气歧管模态及频响分析

马晋涛田宇 周洋

【摘要】进气歧管是发动机重要的零部件之一，进气歧管在发动机高转速的状态下容易产生共振，进而产生噪声以及疲劳破坏，对汽车的操作稳定性和乘坐的舒适性有较大的影响。针对上述问题，目前的研究中通常在进气歧管表面布置加强筋来提高其刚度，从而避免共振。本文主要研究两款发动机进气歧管模态及频响分析，以ABAQUS有限元分析软件为平台，提出了在节气门增加支架的方法，对进气歧管进行结构优化。优化结果表明，带支架的进气歧管一阶模态有明显的提高，同时对比了两种进气歧管的频响分析结果。

关键词：进气歧管；有限元；频响分析；结构优化

中图分类号：U464.134.4

1 前言

发动机结构是一个多自由度的振动系统，降低振动引起的噪声和零件的疲劳破坏是内燃机行业的一个重要研究内容。而模态分析和频响分析是其中最重要的技术之一，通过模态分析和频响分析，得到零部件的模态和振动参数，可以为结构设计部门进行结构系统振动特性的优化设计作参考。进气歧管是内燃机上的重要结构部件，同时也是受振动影响较严重的部件。从市场反馈来看，进气歧管的失效模式基本都是疲劳损坏。由于疲劳损坏主要是载荷的累积效应而产生的，所以，即使来自发动机的激励不大，但当波动的次数累积到某一个固定值，也会造成零部件的永久变形和疲劳裂纹，继而导致永久失效。分析进气歧管的动态特性，避免共振从而减少整机的振动和噪声是非常有必要的。

2模态理论基础

工程实际中对于一个具有连续质量的振动系统进行模态分析时，采用有限元方法对组成的多自由度线性系统进行离散，忽略阻尼时其自由振动运动微分方程可以表示为如下：

[M]{X}+[K]{x}=0          （1）

{x}={X}e^jωt              （2）

式中，[M]、[K]分别为质量和刚度的矩阵；{X}为元素各点振幅。

对方程（1）、（2）进行整理变换得：

[K]{X}-w2 [M]{X}={0}      （3）

非零解是求解方程（3）的唯一条件，并且该位移阻抗矩阵的行列式为零，如下所示：

|[K]-ω2 [M]|=0             （4）

[M]和[K]都为正定矩阵，将上述公式进行求解展开后，可以求出N个特征值，且平方根为固有频率，按从大到小的顺序排列如下：

((ω_1 ) ̅ ) <((ω_2 ) ̅ ) <•••<((ω_N ) ̅ )

分别称作1阶、2阶…N阶固有频率。

将任意一个特征值代入上式，都可以求得与之相对应的特征向量。运用模态振动方程理论，对该结构的材料属性、边界条件等加以确定，通过运算便可获得各阶的模态参数。

3进气歧管建模及模态分析

3.1有限元模型建立

本文分析的是一款是正在开发中的进气歧管A，为了使分析结果更符合实际要求，同时对另一款过去已经开发完的进气歧管B一起进行对比分析。为了提高模态，进气歧管A已增加加强筋。在建立进气歧管有限元模型之前，要先对其结构进行合理的简化，这样便于网格的划分。删除直径小于3mm的工艺圆孔以及对仿真结果影响较小的垫圈、橡胶套等局部结构，同时还要避免尖角的出现，缩短计算机的模拟计算时间。保留进气歧管的外轮廓形状和对结构影响较大的加强筋、螺栓孔等，以确保计算的精度和避免网格出错。在ANSA软件中进行网格处理，然后倒入ABAQUS软件中进行计算求解，模型材料选择PA6-GF30，密度=1.3629g/cm3，弹性模量E=7000Pa，泊松比=0.37。通过四面体网格来划分三维结构，单元划分比较灵活，能较好的显示进气歧管模型形状。所以我们采用四面体10节点的C3D10单元划分网格，考虑到进气歧管为薄壳类零件，且长度较大，网格尺寸过小模态结果易失真。经过多次试算，单元尺寸取为3mm较为合适。

3.2模态计算

网格划分完成后在ABAQUS中输入材料参数，模型固定与缸盖相连的法兰面上五个螺栓孔压紧面的全部自由度，将节气门的质量耦合到参考点RP-1上，节气门的质量参考某分析报告为850g，得到的一阶模态。

进气歧管A的一阶模态为90.436Hz，进气歧管B的一阶模态为129.49Hz。进气歧管的一阶固有频率需避开发动机的二阶运转频率，即固有频率理论上应大于240Hz——280Hz。

对两种进气歧管的一阶模态对比分析，可以看出进气歧管A的一阶模态较低，进气歧管A存在共振风险，需进一步优化。

4进气歧管结构优化与分析

4.1优化后进气歧管模态分析

在进气歧管A基础上增加支架，支架一端固定在节气门上，另一端固定在缸体上。优化后的进气歧管A、节气门、支架的整体装配数模。

节气门安装面Tie连接到进气歧管上，支架安装面Tie连接到节气门上，约束支架另一端螺栓孔面全部自由度。网格采用C3D10单元，由于节气门模型进行了简化，用ANSA软件测出节气门当前质量为747.447g，节气门实际质量为850g，将剩余节气门的质量耦合到参考点RP-1上。

带支架进气歧管A的一阶模态频率为281.21Hz，高于进气歧管B的一阶模态，高于发动机的二阶运转频率，共振的风险较低。

4.2优化后进气歧管频响分析

频响分析又称稳态动力学分析，即在周期正弦振荡载荷作用下，计算结构对每一个计算频率的动态响应。频响分析具有稳定、快速和准确等特点，广泛应用于产品结构承受旋转机械载荷、周期载荷的设计分析领域。

根据发动机的运转特性可知，进气歧管发生共振时在Z方向的振动加速度较大。现将带支架进气歧管A和进气歧管B在Z方向施加1个g加速度作为振动激励，得到在x,y,z三个方向上的的频响分析结果。

5 结束语

以某款进气歧管为研究对象，为了提高其低阶固有频率从而避免共振，通过模态仿真与频响分析的结合，与开发完的另一款进气歧管进行对比，找到影响低阶频率的因素，并针对此做局部结构的优化，结果显示：

a.与节气门安装面相连接的进气歧管处一阶模态振幅较大，且进气歧管表面加筋并没有有效地增加其一阶模态。

b.在节气门和缸体之间固定一支架，这样进气歧管的一阶模态由原来的90.436Hz增加到了281.21Hz，大大降低了共振风险。通过对比两种歧管的频响分析结果，带支架进气歧管A的振动加速度峰值低于进气歧管B的振动加速度峰值，降低进气歧管振动带来的疲劳破坏风险。

参考文献

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