基于ABAQUS的某发动机进气歧管模态分析与优化设计.docx

基于abaqus的发动机进气歧管

模态分析与优化设计

王雄，黄凤琴，李欣，李相旺，张志明

（东风汽车公司技术中心，湖北武汉430058）

摘要：某车型在整车试验中发现进气歧管在650Hz附近出现较明显的噪声，考虑通过增加支架的方式使进

气歧管650Hz附近的模态提高。本文针对试验中出现的问题，采用Abaqus有限元分析软件，建立发动机进

气歧管及附近零部件的有限元模型，进行模态分析。根据计算结果，对支架的布置及结构形式进行了优化

设计，得出有效的解决方案。

关键词：有限元；进气歧管；模态分析；支架优化

前言

现代社会，消费者对汽车关注的焦点开始转移到乘坐的舒适性，汽车NVH性能是影响

舒适性的主要因素之一。汽车动力总成不仅提供了汽车前进的动力，还是整车振动的主要激

励源之一。因此减小发动机振动，对提高整车NVH性能十分重要[1]。

依据传统的试验方法对发动机零部件的性能进行校核，这个过程周期长，资源消耗大，

而有限元方法则采用仿真分析的形式，能够在零部件设计阶段大幅降低设计成本，缩短研发

周期。有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，将所分析的结构离散成

有限个单元，并在单元上指定有限个节点，单元通过节点构成整个有限元模型。模态分析是

利用有限元的方法，通过求解系统的固有频率、振型以及应变能等，初步了解系统的振动特

性，避免共振现象的发生，降低不必要的噪声，在发动机开发中具有广泛应用。

某自主研发发动机在搭载整车试验时，进气歧管在650Hz频率附近出现振动噪声峰值，

如图1所示。为降低其共振辐射噪声，本文通过仿真方法，建立进气歧管有限元模型，基于Aabqus有限元软件，进行模态分析，根据分析结果，提出相应的解决方案，优化该进气歧

管的NVH性能[2]。

图1进气歧管Y向振动

1进气歧管模态分析

1.1分析对象

建立进气歧管模态分析的有限元模型，为保证计算结果的正确性与合理性，分析模型主

要包含的零部件为进气歧管、节气门组件、缸盖罩、缸盖、螺栓及螺栓嵌件，如图2所示。

模型中各接触面建立接触对连接。

图2某发动机进气歧管有限元模型

1.2分析输入及边界

本文有限元分析前后处理软件为Hypermesh，求解器为Abaqus。网格类型为二阶四面

体单元C3D10M。因为计算类型为模态分析，对网格质量要求不高，进气歧管为考察对象，

网格尺寸为5mm，部分圆角、螺栓孔进行细化处理，缸盖罩以及缸盖等环境件平均网格尺

寸为10mm。缸盖罩和进气歧管为塑料件，缸盖为铝合金(AlSi7Mg)，螺栓材料为steel，节

气门组件较复杂，进行配重处理。计算模型时只考虑材料的线弹性性能，材料属性见表1。

模型的边界条件为：约束缸盖下端面的6个自由度。

表1有限元模型材料属性

零件材料弹性模量N/mm2密度g/cm3泊松比

缸盖罩PA6634001.480.45

进气歧管PA663001.140.38

缸盖AlSi7Mg726002.650.31

螺栓Steel2120007.80.3

节气门700002.250.33

1.3分析结果

试验中发现的噪音频率为650Hz，但未给出具体振型，试验结果与仿真结果存在误差，

因此有限元分析结果需关注原方案在650附近的模态频率。经过进气歧管模型的约束模态分

析，该进气歧管接近试验测试结果650Hz的模态频率分别为544Hz和675Hz，如图3所示。

（a）4阶模态544Hz（b）5阶模态675Hz

图3模型频率及振型

根据进气歧管的位移云图可知，模态频率为544Hz的局部振动主要发生在节气门附近，

模态频率为675Hz的局部振动为歧管本身的弯曲模态。要改善进气歧管试验测试噪声问题，

应当使模态频率计算结果避开650Hz的共振频率。

2进气歧管模态改进方案

为了改善进气歧管的共振辐射噪声，本文考虑通过添加支架的方式来避开进气歧管在

650Hz附近的模态。如图4、图5所示，根据支架安装位置不同，分为两个方案，具体如下：

方案一，支架位于进气歧管尾端，考察支架厚度（2mm，3mm）对模态频率的影响。

方案二，支架位于进气歧管中部，考察支架厚度（2mm，3mm）对模态频率的影响。

图4方案一：尾端支架连接

图5方案二：中部支架连接

2.1改进方案分析

两种方案的模态频率计算结果如表2所示，对比650Hz频率附近振型相同的模态，方

案二对模态频率并没有明显改善，方案一相对方案二提升效果更显著。比较方案一不同支架

厚度的计算结果，3mm厚度的支架方案优于2mm厚度的方案。因此，选取进气歧管尾部增