同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 / 蔡俊敏

進(jìn)氣壓力傳感器模態(tài)分析與優(yōu)化

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 / 蔡俊敏

本文介紹運(yùn)用有限元法，模態(tài)分析降低結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)，為進(jìn)氣壓力傳感器的可靠性開發(fā)提供了可借鑒的思路。

進(jìn)氣壓力傳感器、模態(tài)分析

1.殼體模態(tài)分析與優(yōu)化

首先，通過(guò)CATIA V5建立分析模型。為避免出現(xiàn)畸形單元，提高網(wǎng)格劃分速率，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型做必要簡(jiǎn)化[1]。如將芯片腔室內(nèi)的電子零件，如IC芯片、PCB板等作為質(zhì)量點(diǎn)施加在模型上。比較連接器的插針質(zhì)量0.72 g與模型的總質(zhì)量26.2g后，忽略其重量。將接插件的線束接頭重量等效為慣性質(zhì)量10g。

從模態(tài)分析的計(jì)算結(jié)果表1來(lái)看，進(jìn)氣壓力傳感器的一階振型為傳感器接插件連接處發(fā)生z向上的局部彎曲，振幅較大，殼體與電氣接口的連接過(guò)渡角剛度較差，固有頻率在常溫23℃時(shí)為792Hz，在120℃時(shí)為530Hz。

由應(yīng)力分布云圖可知，應(yīng)力集中于殼體與電氣接口的連接過(guò)渡角，與實(shí)際疲勞斷裂位置一致。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，當(dāng)溫度120℃，選擇模態(tài)阻尼0.02時(shí)，其最大疲勞應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)材料的疲勞極限，可能導(dǎo)致傳感器發(fā)生疲勞斷裂失效。因此需要對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)與理論知識(shí)，通過(guò)在傳感器支架上增加加強(qiáng)筋，改變加強(qiáng)筋的數(shù)量（從3根變成4根），增加加強(qiáng)筋的厚度（從1.25mm變成1.5mm）。不僅可以提升支架的強(qiáng)度，也可以緩解支架局部應(yīng)力值增加。

保持一階xyz方向的頻率響應(yīng)輸入不變，再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，得到最大的應(yīng)力幅值出現(xiàn)在z方向上，即模態(tài)振型仍然為系統(tǒng)的z向彎曲振動(dòng)，且應(yīng)力仍然不變。

如表2所示，雖然應(yīng)力集中位置未發(fā)生改變，但是優(yōu)化后其結(jié)構(gòu)固有頻率得到提高，有效規(guī)避了正弦振動(dòng)載荷譜的激振頻率，且與激振頻率沒有倍數(shù)關(guān)系，其局部應(yīng)力值也小于材料的疲勞極限，局部位移形變也得到改善，提高了剛度。

表1 模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果（優(yōu)化前）

表2 模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果（優(yōu)化后）

2.總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用有限元方法及模態(tài)分析能夠有效考核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度在不同溫度工作環(huán)境下抵抗外部激勵(lì)的能力，降低結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)。

[1]石海星.硅橋式壓阻壓力傳感器溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)[D].四川∶西南交通大學(xué)，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