【正文】 始計(jì)算。在 Output Points 上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【 Create Single IOPoint】→【 New IOPoint】，然后單擊場(chǎng)點(diǎn)上的點(diǎn)，自由度選擇 S，用同樣的方法可以多選擇幾個(gè)點(diǎn)。 本章小結(jié) 本章簡述了與聲場(chǎng)分析有關(guān)的邊界元理論，并介紹了 軟件的特點(diǎn)和振動(dòng)、噪聲模塊的功能。最后，應(yīng)用 軟件采用有限元方法對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲場(chǎng)分析。 第六章 結(jié)論與展望 39 第六章 結(jié)論與展望 結(jié)論 本文應(yīng)用 UG 軟件建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型，應(yīng)用 ANSYS WORKBENCH 建立了該機(jī)構(gòu)與曲軸的有限元模型，并行模態(tài)分析，得到機(jī)構(gòu)與曲軸的振型及固有頻率。在 Select Data 對(duì)話框先選擇一個(gè)點(diǎn)，單擊【 Display】按鈕，然后再選擇另外一個(gè)點(diǎn)，單擊【 Add】，最后選擇【 Format】→【 dB】，這時(shí)候曲線就是以聲壓 dB 的形式顯示，如圖 54 所示： 圖 54 曲軸 聲壓曲線圖 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 38 線 1 代表場(chǎng)點(diǎn) 35123 的聲壓曲線圖 線 2 代表場(chǎng)點(diǎn) 35105 的聲壓曲線圖 1保存模型。如圖 53 為 830HZ 的曲軸聲壓云圖 ， 圖 52 為曲軸聲構(gòu)耦合模型 ： 圖 52 曲軸 聲構(gòu)耦合模型 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 37 圖 53 830 HZ 曲軸 場(chǎng)點(diǎn)聲壓 云圖 1計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)。 場(chǎng)點(diǎn)計(jì)算。關(guān)閉對(duì)話框后，雙擊結(jié)構(gòu)樹上的的 VibroAcoustic Mesh Structural Mesh，并選擇曲軸結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。雙擊結(jié)構(gòu)樹 Locations 下的 Faces，彈出面定義框，選中曲軸聲學(xué)網(wǎng)格， Side 處只選 positive，單擊【 OK】。 定義速度邊界條件。邊界元中的前處理操作可以檢查網(wǎng)格是否適合邊界元計(jì)算，是必須要做的。 定義場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。單擊菜單下的【 Import】，將曲軸的兩種 .cad 文件導(dǎo)入，并且進(jìn)行網(wǎng)格類型定義。 設(shè)定分析模型的類型。曲軸空腔模型導(dǎo)入 到經(jīng)典界面后不進(jìn)行模態(tài)分析直接“ write”成 .cdb 文件。將曲軸幾何模型全選（ select all），并應(yīng)用 Thin/Surface 命令設(shè)置其厚度（ thickness）為 0mm，之后點(diǎn)擊“ generate”命令生成曲軸空腔模型。在聲學(xué)模塊中，提供了聲學(xué)有限元（ Harmonic Acoustic FEM）、聲學(xué)邊界元 (Harmonic Acoustic BEM)和 ATV(聲學(xué)傳遞向量 )計(jì)算聲場(chǎng)的方法，計(jì)算空間可以是時(shí)域也可以是頻域。聲學(xué)模塊采用最先進(jìn)的聲學(xué)有限元法和聲學(xué)邊界元法兩種數(shù)值計(jì)算方法，可以在時(shí)域內(nèi)計(jì)算，也可以在頻率域內(nèi)計(jì)算。 Vibration 是進(jìn)行振動(dòng)分析的模塊，可以將仿真的模態(tài)和來修正有限元的模型，使計(jì)算出來的試驗(yàn)的模態(tài)進(jìn)行相關(guān)性對(duì)比，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)B(tài)并結(jié)合優(yōu)化模塊來修正有限元的模型，使計(jì)算出來的模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)從頻率和振型上都接近，并可 以將仿真的模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ突旌涎b配在一起。直接邊界元的網(wǎng)格要求必須是封閉的，它可以直接第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 33 計(jì)算封閉網(wǎng)格內(nèi)部的聲場(chǎng)，或計(jì)算 封閉網(wǎng)格外部的聲場(chǎng)，但是不能同時(shí)計(jì)算內(nèi)部聲場(chǎng)和外部聲場(chǎng)，即它適用于封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)聲場(chǎng)或外聲場(chǎng)的分析，略偏重于數(shù)學(xué)方法；間接邊界元的網(wǎng)格可以是封閉的，也可以不封閉，所以可以同時(shí)計(jì)算內(nèi)聲場(chǎng)和外聲場(chǎng)。 （ 5）聲級(jí)：由于人耳能聽到的聲強(qiáng)的范圍非常大，用聲壓或聲強(qiáng)的絕對(duì)值來衡量聲音的強(qiáng)弱很不方便，并且人耳對(duì)聲音的感覺（聽覺）與客觀物理量（聲強(qiáng)、聲壓）之間并不是線性關(guān)系，而近似于對(duì)數(shù)關(guān)系，即人的聽覺隨刺激量的增大而逐漸趨于遲鈍，所以，人們普遍采用對(duì)數(shù)標(biāo)度來度量聲壓、聲強(qiáng)和聲功率，分別稱為聲壓級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)。 （ 2）聲強(qiáng) (I)：單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于聲波 傳播方向的單位面積的聲能稱為聲強(qiáng)。 本章小結(jié) 本 章 介 紹 了 ANSYS 與 WORKBENCH 的 功 能 及 應(yīng) 用 ， 并 利 用 和 ANSYS 經(jīng)典界面分別對(duì)曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，為曲軸結(jié)構(gòu)的 噪聲預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。圖 414 為頻率為 時(shí)的曲軸變形圖。而且載荷形式為隨時(shí)間變化的簡諧載荷，按發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序（ 1243）先后在各缸曲柄銷上進(jìn)行壓強(qiáng)施加，間隔相位為 1800。 圖 413 位移 頻率曲線圖 圖 414 曲軸連桿機(jī)構(gòu)變形圖 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 30 從圖 413中可以看出，該點(diǎn)在 Y方向 即該機(jī)構(gòu)上下 振動(dòng)位移比較大，應(yīng)是活塞連桿組的往復(fù)慣性力造成。對(duì)曲軸 連桿機(jī)構(gòu) 進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析過程中不能忽略阻尼的影響，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 ? =~，這里取 ? =。而且載荷形式為第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 29 隨時(shí)間變化的簡諧載荷，按發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序（ 1243）先后在各缸活塞上進(jìn)行壓強(qiáng)施加，間隔相位為 1800。 步驟如圖 46 示： 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 26 曲軸幾何模型 ↓ 曲軸有限元模型 ↓ 施加約束 ↓ 求解計(jì)算得到結(jié)果 六階模態(tài) 圖 46 曲軸模態(tài)分析過程 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 27 計(jì)算求得曲軸的前 6 階固有頻率如下表 43 所示： 表 43 曲軸模態(tài)結(jié)果 階次 固有頻率（ HZ） 最大變形量（ mm） 1 2 3 4 5 6 其對(duì)應(yīng)的振型如圖 47 至 412： 圖 47 一階 振型 圖 48 二階振型 圖 49 三階振型 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 28 圖 410 四階振型 圖 411 五階振型 圖 412 六階振型 曲軸連桿機(jī)構(gòu)的諧響應(yīng)分析 在 Ansys 經(jīng)典界面中對(duì)曲軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，具體步驟為 : 定義分析類型 在 solution 分支下的 Analysis Type 中定義分析類型為 Harmonic。故在“ Analysis Settings”下設(shè)置最大模態(tài)數(shù)為 6 階，頻率變化的范圍為默認(rèn)，后點(diǎn)擊“ Solve”命令進(jìn)行求解。本文針對(duì)曲軸的五個(gè)主軸頸的滑動(dòng)軸承支撐，施加這五個(gè)主軸頸的表面徑向?qū)ΨQ約束，同時(shí)施加軸向位移約束，采用 cylindrical support。曲軸連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型如圖 43： 圖 43 曲軸連桿機(jī)構(gòu)有限元模型 在 Design Simulation 模塊中選擇 Modal 分析類型，設(shè)置邊界條件、求解參數(shù)，然后進(jìn)行求解并輸出最終結(jié)果。在本文中，由于進(jìn)行曲軸連桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)噪聲計(jì)算，對(duì)網(wǎng)格要求不是很高，所以采用自動(dòng)劃分和手動(dòng)劃分相結(jié)合，以四面體單元為主，兼之以六面體單元。前兩種是線性的，后三種是非線性接觸。簡化后第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 22 的模型如圖 42： 圖 42 曲軸連桿機(jī)構(gòu)幾何模型 進(jìn)入 Design Simulation 模塊，在 “ Model”分支下設(shè)置模型的材料屬性、接觸關(guān)系，并對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格單元。 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 21 曲軸連桿機(jī)構(gòu)模態(tài)分析過程 考慮到曲軸連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜、單元多、自由度數(shù)目大，因此模態(tài)分析采用了子空間迭代法提取模態(tài)。 （ 3） *.dsdb:DS 仿真數(shù)據(jù)庫，保存與結(jié)構(gòu)或熱分析有關(guān)的信息。 （ 2）用 DS 執(zhí)行有限元分析。 （ 1）參數(shù)化建模模塊（ DesignModeler,DM）它具有 CAD 軟件的風(fēng)格，可以方便地建立結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型。 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 20 Ansys WorkBench 簡介 ANSYS WORKBENCH 是 ANSYS 公司開發(fā)新一代的 CAE 應(yīng)用及開發(fā)平臺(tái)。 與其他有限元分析軟件，如 SAP 或 NASTRAN 等相比， ANSYS 有以下特點(diǎn)： ( 1 ) ANSYS 是完全的 Windows 程序，應(yīng)用更加方便。 (2)求解模塊 在前處理階段完成建模后，用戶在求解階段通過求解器獲得分析結(jié)果。第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 19 第四章 曲軸連桿機(jī)構(gòu)及曲軸的動(dòng)力學(xué)分析 Ansys 與 WorkBench 簡介 Ansys 軟件簡介 Ansys 是一個(gè)通用的有限元分析軟件， 它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析。 諧響應(yīng)分析假 定施加的所有載荷是隨時(shí)間按簡諧（正弦）規(guī)律變化的。諧響應(yīng)分析能預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu) 的持續(xù)動(dòng)力特性，從而克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的不良影響。許多其他的后處理功能如將結(jié)果映象到一個(gè)路徑上和載荷工況組合等，在 POST1中均可使用。模態(tài)擴(kuò)展如果在求解時(shí)已經(jīng)用 MXPAND 命令定義，則不需要單獨(dú)執(zhí)行該步。 在一般的模態(tài)分析（預(yù)應(yīng)力效應(yīng)除外的模態(tài)分析）中，位移有效的“載荷”是零位移約束。 b、材料性質(zhì)可以是線性、各項(xiàng)同性或正交各項(xiàng)異性、恒定或溫度相關(guān)。 （ 1）建模 建模與靜力分析相同，主要有：定義單元類型、單元實(shí)參數(shù)、材料性質(zhì)、幾何模型、有限元模型等。 模態(tài)分析的一般步驟 ANSYS 的模態(tài)分析是一種線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使是定義了也將忽略。因而可以將式 (1)簡化為無阻尼自由振動(dòng)方程： ? ?? ? ? ?? ?.. 0M q K q?? （ 2） 由于彈性體的自由振動(dòng) 總可以分解為一系列簡諧振動(dòng)的疊加，為了決定彈性自由振動(dòng)的固有頻率及相應(yīng)的振型，假設(shè)簡諧振動(dòng)的方程為： ? ?? ? ? ? ? ?sinq t i wt?? （ 3） 因此無阻尼模態(tài)分析的運(yùn)動(dòng)方程為： ? ? ? ?? ?? ?2 0K w i M i? ? ? （ 4） 自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的振幅不全為零，如果 ??i? 有非零解，則有其系數(shù)行列式的值等于 0，即 ? ? ? ?2 0K wi M?? （ 5） 式中： ??i? — 第 i 階模態(tài)的振型向量； wi — 第 i 階模態(tài)的固有頻率。模態(tài)分析的核心內(nèi)容就 是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。 模態(tài)分析的作用：識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 模態(tài)分析：將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。（ 4）求解節(jié)點(diǎn)變量。 把所有單元的這種特性關(guān)系按一定的條件（連續(xù)條件、變分原理或 能量原 理）集合起來，引入邊界條件，構(gòu)成一組以節(jié)點(diǎn)變量（位移、溫度、電壓等）為未知量的代數(shù)方程組，求解方程組即可得到有限個(gè)節(jié)點(diǎn)處的待求變量。 有限元法實(shí)質(zhì)上是 把具有無限自由度的連續(xù)系統(tǒng)，近似等效為只有有限自由度的離散系統(tǒng)，使問題轉(zhuǎn)化為適合于數(shù)值求解的數(shù)學(xué)問題。 圖 222 曲軸連桿機(jī)構(gòu) 本章小結(jié) 本章簡單的介紹了 UG 軟件的特點(diǎn)及功能，并且利用 UG 建立了曲軸連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件圖，之后利用 UG 的裝配 功能進(jìn)行零件裝配，形成曲軸連桿機(jī)構(gòu)的三維幾何模型。用同樣方法將活塞銷、活塞和連桿蓋、連桿軸瓦添加并裝配，形成活塞連桿組。最后進(jìn)行邊倒圓、倒斜角等細(xì)節(jié)操作，形成的連桿體三維實(shí)體模型如圖 28。在連桿體上創(chuàng)建矩形墊塊，參數(shù)為長 10mm、寬 5mm、高 。應(yīng)用“鏡像”創(chuàng)建出另一半，并求和。以曲柄銷端面為草圖平面，繪制草圖并拉伸 13mm，形成第二個(gè)曲柄臂。 “插入”命令構(gòu)建圓柱體，參數(shù)為直徑 38mm、高度 49mm。目前國內(nèi)的大部分院校、研發(fā)部門都在使用該軟件，如上海汽車工業(yè)集團(tuán)總公司、上海大眾汽車公司、上海通用汽車公司、泛亞汽車技術(shù)中心、同濟(jì)大學(xué)等在教學(xué)和研究中都使用 UG 作為工作軟件。 UG 在特征和自由建模方面提供 了更加強(qiáng)大的功能，使得用戶可以更快、更高效、更高質(zhì)量地設(shè)計(jì)產(chǎn)品。有限元模型的建立要根據(jù)實(shí)際情況，綜合考慮計(jì)算精度與速度等因素，確定單元類型及尺寸。 本課題研究內(nèi)容 （ 1）廣泛搜集資料，了解發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲分析的相關(guān)信息。 在噪聲分