【導(dǎo)讀】隨著車輛保有量的增長(zhǎng)，車輛噪聲已成為城市噪聲的最主要來源。因，激起零部件的機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。的固有頻率相一致時(shí)，會(huì)引起激烈的共振和噪聲。本文以常用的四缸發(fā)動(dòng)。機(jī)構(gòu)各組成零件的幾何模型，并裝配形成機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型。成.stp文件導(dǎo)入ANSYWORKBENCH進(jìn)行模型簡(jiǎn)化并進(jìn)行模態(tài)分析，寫成.dat格式，通過導(dǎo)入到轉(zhuǎn)化成.cdb格式。件導(dǎo)入VirtualLab進(jìn)行振動(dòng)噪聲分析并得出結(jié)論。

　　

【正文】 以評(píng)價(jià)其結(jié)構(gòu)噪聲 。 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)。 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 32 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 聲學(xué)基礎(chǔ) 與聲學(xué)有關(guān)的概念 和聲音有關(guān)的參數(shù)主要有聲壓 (p)、聲阻抗 (Z)、聲強(qiáng) (I)、聲功率 (W)、聲級(jí)。 （ 1）聲壓 (p)：當(dāng)?shù)芈晧河诖髿鈮褐睢Ｂ晥?chǎng)中某一瞬間的聲壓值稱為瞬時(shí)聲壓，瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間取均方根稱為有效聲壓，一般聲學(xué)儀表測(cè)得的是有效聲壓。 （ 2）聲強(qiáng) (I)：?jiǎn)挝粫r(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)。屬于矢量。 （ 3）聲功率 (W)：聲源的強(qiáng)弱。 （ 4）聲阻抗 (Z)：聲壓與體積速度的復(fù)數(shù)的比值，是表示介質(zhì)特性的重要參數(shù)。 （ 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)。 聲壓級(jí)定義為聲壓的有效值與基準(zhǔn)聲壓的有效值之 比（取分貝），即 Lp=20lg (Pe／ Pr) 式中： Pe 為測(cè)量的聲壓， Pr 為參考聲壓，通常取 Pr=2 105Pa,是人耳對(duì) 1kHz 空氣所能感覺到的最低聲音的聲壓。 聲學(xué)邊界元理論 聲學(xué)有限元法通常用于計(jì)算封閉空間中聲場(chǎng)，而邊界元法適用于內(nèi)聲場(chǎng)和外聲場(chǎng)的計(jì)算，如結(jié)構(gòu)表面或聲場(chǎng)中任意點(diǎn)在頻域或時(shí)域中的響應(yīng)以及聲傳播途經(jīng)分析和噪聲源的分析等。 邊界元法分為直接邊界元法和間接邊界元法，邊界元所需要的網(wǎng)格是面網(wǎng)格，不是體網(wǎng)格。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)。由于曲軸連桿機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格是不封閉的，故按照理論知識(shí)，應(yīng)該選用間接邊界元法對(duì)其噪聲分析。 Acoustics 簡(jiǎn)介 LMS公司開發(fā)的基于 CATIA V5平臺(tái)的集成仿真 CAE平臺(tái)，主要有 Acoustics(聲學(xué) )、 Durability(耐久性 )、 Motion(多體動(dòng)力學(xué) )、 Vibration(振動(dòng) )、 Structure(有限元前后處理 )、 Desktop(桌面 )和 Optimization(優(yōu)化 )等模塊工程。在 中可以完成從 CAD 到有限元前處理，從有限元前處理到振動(dòng)，從振動(dòng)到聲學(xué)，從聲學(xué)到優(yōu)化的多功能 CAE 仿真計(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。利用混和模型并根據(jù)試驗(yàn)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行載荷識(shí)別，得到輸入點(diǎn)的載荷，可以做基于模態(tài)和基于傳遞路徑的強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算，得到輸出點(diǎn)的位移、速度或加速度，并且可以進(jìn)行模態(tài)貢獻(xiàn)量分析和傳遞路徑分析，識(shí)別出引起振動(dòng)的原因。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行基于模態(tài)和基于傳遞函數(shù)的快速修改預(yù)測(cè)，得到修改后的結(jié)果，評(píng)估修改的效果，提高仿真的效率。 Acoustics 是專門用于聲振計(jì)算的仿真模塊，它是在集成SYSNOISE 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一套專門用于聲學(xué)仿真計(jì)算的工具，它可以計(jì)算輻射聲 場(chǎng)的聲學(xué)響應(yīng)，如聲壓、聲強(qiáng)及聲功率等，輻射聲場(chǎng)可以是由結(jié)構(gòu)振動(dòng)引起的，可以是由聲源引起的，也可以是兩者都有。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。聲學(xué)模塊能預(yù)測(cè)聲波的輻射、散射、折射和傳遞以及聲載荷引起的聲學(xué)響應(yīng)。根據(jù)分析類型的不同，可以建立非耦合的聲學(xué)模型，也可以建立結(jié)構(gòu)和聲學(xué)耦合的模型。所建立的模型可以是封閉的，也可以是敞開的，流體材料既可以是均質(zhì)流體，也可以是多質(zhì)流體。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)模塊還提供了一些其他的特殊功第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 34 能，如隨機(jī)聲學(xué)、傳遞路徑分析、氣動(dòng)聲學(xué)、多級(jí)邊界元。另外結(jié)構(gòu)模塊還專門為聲學(xué)模塊提供了網(wǎng)格粗化和腔體網(wǎng)格生成的功能，可以幫助工程師快速建立起聲學(xué)模型。 曲軸結(jié)構(gòu)噪聲分析過程 曲軸結(jié)構(gòu)模型聲場(chǎng)分析的前期準(zhǔn)備 在 WorkBench DesignModeler（ DM）模塊中 對(duì)曲軸幾何模型進(jìn)行抽殼處理。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 WorkBench Design Simulation（ DS）模塊中對(duì)曲軸空腔模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完后應(yīng)用“ Write Input File”命令將其寫成 .dat 文件。同樣將曲軸幾何模型也寫成 .dat 文件。 將從 WorkBench 寫出的曲軸幾何模型 .dat 文件導(dǎo)入到 ANSYS 經(jīng)典界面，進(jìn)行模態(tài)分析后得到 .rst 文件和 .cdb 文件。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。至此曲軸聲學(xué)分析所需的文件全部生成。 曲軸聲學(xué)分析步驟 本課題用邊界元法對(duì)曲軸進(jìn)行聲構(gòu)耦合分析。 具體操作步驟如下： 啟動(dòng) 軟件，進(jìn)入聲學(xué)邊界元環(huán)境（ Acoustics）。 設(shè)定分析模型的類型。由于曲軸是個(gè)封閉模型，可以選用間接邊界元法對(duì)其分析。單擊菜單【 Tools】下的【 Edit the Modal Type Definition】命令，選擇Indirect。 導(dǎo)入結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲學(xué)邊界元網(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。將曲軸幾何網(wǎng)格定義為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格（ Set as Structre） ,曲軸空腔網(wǎng)格定義為聲學(xué)邊界元網(wǎng)格（ Set as Acoustical）。如圖 51： 第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 35 圖 51 曲軸聲學(xué)網(wǎng)格 導(dǎo)入曲軸的結(jié)構(gòu)模態(tài)。將在 ANSYS 經(jīng)典界面中生成的 .rst 文件導(dǎo)入，會(huì)在結(jié)構(gòu)樹下出現(xiàn) Mode 分支，選中它并單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Generate Image會(huì)自動(dòng)生成圖像，方便查看振型。 定義場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。單擊菜單【 Insert】下的【 Field Point Meshes】，選擇【 ISO Power Field Point Mesh】對(duì)話框，選擇 Fine Spherical Mesh 項(xiàng)，單擊結(jié)構(gòu)樹 Nodes and Elements 下的曲軸聲學(xué)邊界元網(wǎng)格，單擊【 OK】會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格。場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格不參與運(yùn)算，只是方便查看聲壓云圖結(jié)果。 前處理操作。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。插入前處理分支 Acoustic Mesh Preprocessing Set，單擊其下的Acoustic Mesh Preprocessing ，彈出處理框，然后選擇聲學(xué)網(wǎng)格，關(guān)閉對(duì)話框后，選擇【 Update】即可。 定義流體材料及屬性。選用 Air 作為 流體材料，其參數(shù)采用默認(rèn)即可。 定義速度邊界條件。單擊菜單【 Insert】 ,插入分支【 Acoustic Boundary Condition and Sources】。雙擊該分支，彈出對(duì)話框，在 Name 中輸入 Velocity BC Set，關(guān)閉對(duì)話框。單擊 Velocity BC Set，添加【 Add an Acoustic Boundary Condition 】子分支。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】。雙擊 Constant Values，定義速度為 ，其它定義采用默認(rèn)。 耦合聲場(chǎng)分布計(jì)算。單擊【 Insert】，依次找到【 BEM Analysis Cases】、第五章 曲軸結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲分析 36 【 VibroAcoustic Response Analysis Case】，在對(duì)話框中將 Boundary Condition Set設(shè)置成 Use an Existing One， Structural Mode Set 設(shè)置成 Use an Existing One 并選中分支 Mode ，其余默認(rèn)。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 Acoustical Mesh,并選擇曲軸聲學(xué)網(wǎng)格。雙擊 VibroAcoustic Response Solution ，輸入計(jì)算頻率的范圍：起始頻率 100HZ、終止頻率 3000HZ、每間隔 100HZ 計(jì)算一次。最后在 Acoustic Response Solution 上單擊右鍵，選擇【 Update】開始計(jì)算。 場(chǎng)點(diǎn)計(jì)算。單擊菜單【 Insert】→【 BEM Analysis Cases】→【 Acoustic Field Response Analysis Case】，彈出計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)對(duì)話框，在結(jié)構(gòu)樹上選中 Acoustic Response Solution ， Output 設(shè)置成 All Field Points，單擊【 OK】即可。在 Acoustic Field Response Solution 上單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【 Update】開始計(jì)算。計(jì)算結(jié)束后，選中 Acoustic Field Response Solution 單擊右鍵，選擇【 Generate Image】即要生成圖像，在對(duì)話框中選中 Pressure Amplitude dB(RMS)，單擊【 OK】按鈕，就可以看到場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓 dB(RMS)云圖。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)。單擊菜單【 Insert】→【 Other Analysis cases】→【 Vector to Function Conversion Case】， 將 Conversion Type 設(shè)置成Load Vector to Function， Vector Set 設(shè)置成 Reference a Defined Vector Set，然后選擇結(jié)構(gòu)樹上的 Acoustic Field Response Solution ，然后將 Input and Output Points 設(shè)置成 Make a Selection 和 Use a New I/O Point Set，單擊【 OK】關(guān)閉對(duì)話框。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)。最后在 Load Vector to Function Solution 上單擊右鍵，選擇【 New Function Display】，之后選擇 2D display 和【 Finish】。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。單擊【 Save Management】即可。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)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。進(jìn)而對(duì)曲軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲構(gòu)耦合分析，得到了聲壓云圖及聲壓曲線 圖 。 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。為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)的改進(jìn)、優(yōu)化以及設(shè)計(jì)提出了一種可靠的研究方法。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