【導讀】隨著車輛保有量的增長，車輛噪聲已成為城市噪聲的最主要來源。因，激起零部件的機械振動而產生噪聲。的固有頻率相一致時，會引起激烈的共振和噪聲。本文以常用的四缸發(fā)動。機構各組成零件的幾何模型，并裝配形成機構的三維實體模型。成.stp文件導入ANSYWORKBENCH進行模型簡化并進行模態(tài)分析，寫成.dat格式，通過導入到轉化成.cdb格式。件導入VirtualLab進行振動噪聲分析并得出結論。

　　

【正文】 以評價其結構噪聲 。 本章小結 本 章 介 紹 了 ANSYS 與 WORKBENCH 的 功 能 及 應 用 ， 并 利 用 和 ANSYS 經典界面分別對曲軸連桿機構及曲軸進行了動力學分析，為曲軸結構的 噪聲預測奠定了基礎。 第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 32 第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 聲學基礎 與聲學有關的概念 和聲音有關的參數(shù)主要有聲壓 (p)、聲阻抗 (Z)、聲強 (I)、聲功率 (W)、聲級。 （ 1）聲壓 (p)：當?shù)芈晧河诖髿鈮褐?。聲場中某一瞬間的聲壓值稱為瞬時聲壓，瞬時聲壓對時間取均方根稱為有效聲壓，一般聲學儀表測得的是有效聲壓。 （ 2）聲強 (I)：單位時間內，通過垂直于聲波 傳播方向的單位面積的聲能稱為聲強。屬于矢量。 （ 3）聲功率 (W)：聲源的強弱。 （ 4）聲阻抗 (Z)：聲壓與體積速度的復數(shù)的比值，是表示介質特性的重要參數(shù)。 （ 5）聲級：由于人耳能聽到的聲強的范圍非常大，用聲壓或聲強的絕對值來衡量聲音的強弱很不方便，并且人耳對聲音的感覺（聽覺）與客觀物理量（聲強、聲壓）之間并不是線性關系，而近似于對數(shù)關系，即人的聽覺隨刺激量的增大而逐漸趨于遲鈍，所以，人們普遍采用對數(shù)標度來度量聲壓、聲強和聲功率，分別稱為聲壓級、聲強級和聲功率級。 聲壓級定義為聲壓的有效值與基準聲壓的有效值之 比（取分貝），即 Lp=20lg (Pe／ Pr) 式中： Pe 為測量的聲壓， Pr 為參考聲壓，通常取 Pr=2 105Pa,是人耳對 1kHz 空氣所能感覺到的最低聲音的聲壓。 聲學邊界元理論 聲學有限元法通常用于計算封閉空間中聲場，而邊界元法適用于內聲場和外聲場的計算，如結構表面或聲場中任意點在頻域或時域中的響應以及聲傳播途經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 曲軸結構的振動噪聲分析 33 計算封閉網(wǎng)格內部的聲場，或計算 封閉網(wǎng)格外部的聲場，但是不能同時計算內部聲場和外部聲場，即它適用于封閉結構的內聲場或外聲場的分析，略偏重于數(shù)學方法；間接邊界元的網(wǎng)格可以是封閉的，也可以不封閉，所以可以同時計算內聲場和外聲場。由于曲軸連桿機構的網(wǎng)格是不封閉的，故按照理論知識，應該選用間接邊界元法對其噪聲分析。 Acoustics 簡介 LMS公司開發(fā)的基于 CATIA V5平臺的集成仿真 CAE平臺，主要有 Acoustics(聲學 )、 Durability(耐久性 )、 Motion(多體動力學 )、 Vibration(振動 )、 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，從振動到聲學，從聲學到優(yōu)化的多功能 CAE 仿真計算。 Vibration 是進行振動分析的模塊，可以將仿真的模態(tài)和來修正有限元的模型，使計算出來的試驗的模態(tài)進行相關性對比，根據(jù)試驗模態(tài)并結合優(yōu)化模塊來修正有限元的模型，使計算出來的模態(tài)與試驗模態(tài)從頻率和振型上都接近，并可 以將仿真的模型和試驗模型混合裝配在一起。利用混和模型并根據(jù)試驗響應結果進行載荷識別，得到輸入點的載荷，可以做基于模態(tài)和基于傳遞路徑的強迫響應計算，得到輸出點的位移、速度或加速度，并且可以進行模態(tài)貢獻量分析和傳遞路徑分析，識別出引起振動的原因。在此基礎上，可以進行基于模態(tài)和基于傳遞函數(shù)的快速修改預測，得到修改后的結果，評估修改的效果，提高仿真的效率。 Acoustics 是專門用于聲振計算的仿真模塊，它是在集成SYSNOISE 的基礎上開發(fā)的一套專門用于聲學仿真計算的工具，它可以計算輻射聲 場的聲學響應，如聲壓、聲強及聲功率等，輻射聲場可以是由結構振動引起的，可以是由聲源引起的，也可以是兩者都有。聲學模塊采用最先進的聲學有限元法和聲學邊界元法兩種數(shù)值計算方法，可以在時域內計算，也可以在頻率域內計算。聲學模塊能預測聲波的輻射、散射、折射和傳遞以及聲載荷引起的聲學響應。根據(jù)分析類型的不同，可以建立非耦合的聲學模型，也可以建立結構和聲學耦合的模型。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流體，也可以是多質流體。在聲學模塊中，提供了聲學有限元（ Harmonic Acoustic FEM）、聲學邊界元 (Harmonic Acoustic BEM)和 ATV(聲學傳遞向量 )計算聲場的方法，計算空間可以是時域也可以是頻域。聲學模塊還提供了一些其他的特殊功第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 34 能，如隨機聲學、傳遞路徑分析、氣動聲學、多級邊界元。另外結構模塊還專門為聲學模塊提供了網(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模型。 曲軸結構噪聲分析過程 曲軸結構模型聲場分析的前期準備 在 WorkBench DesignModeler（ DM）模塊中 對曲軸幾何模型進行抽殼處理。將曲軸幾何模型全選（ select all），并應用 Thin/Surface 命令設置其厚度（ thickness）為 0mm，之后點擊“ generate”命令生成曲軸空腔模型。 在 WorkBench Design Simulation（ DS）模塊中對曲軸空腔模型進行網(wǎng)格劃分，劃分完后應用“ 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 文件導入到 ANSYS 經典界面，進行模態(tài)分析后得到 .rst 文件和 .cdb 文件。曲軸空腔模型導入 到經典界面后不進行模態(tài)分析直接“ write”成 .cdb 文件。至此曲軸聲學分析所需的文件全部生成。 曲軸聲學分析步驟 本課題用邊界元法對曲軸進行聲構耦合分析。 具體操作步驟如下： 啟動 軟件，進入聲學邊界元環(huán)境（ Acoustics）。 設定分析模型的類型。由于曲軸是個封閉模型，可以選用間接邊界元法對其分析。單擊菜單【 Tools】下的【 Edit the Modal Type Definition】命令，選擇Indirect。 導入結構網(wǎng)格和聲學邊界元網(wǎng) 格。單擊菜單下的【 Import】，將曲軸的兩種 .cad 文件導入，并且進行網(wǎng)格類型定義。將曲軸幾何網(wǎng)格定義為結構網(wǎng)格（ Set as Structre） ,曲軸空腔網(wǎng)格定義為聲學邊界元網(wǎng)格（ Set as Acoustical）。如圖 51： 第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 35 圖 51 曲軸聲學網(wǎng)格 導入曲軸的結構模態(tài)。將在 ANSYS 經典界面中生成的 .rst 文件導入，會在結構樹下出現(xiàn) Mode 分支，選中它并單擊鼠標右鍵，選擇 Generate Image會自動生成圖像，方便查看振型。 定義場點網(wǎng)格。單擊菜單【 Insert】下的【 Field Point Meshes】，選擇【 ISO Power Field Point Mesh】對話框，選擇 Fine Spherical Mesh 項，單擊結構樹 Nodes and Elements 下的曲軸聲學邊界元網(wǎng)格，單擊【 OK】會自動創(chuàng)建標準場點網(wǎng)格。場點網(wǎng)格不參與運算，只是方便查看聲壓云圖結果。 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，然后選擇聲學網(wǎng)格，關閉對話框后，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，彈出對話框，在 Name 中輸入 Velocity BC Set，關閉對話框。單擊 Velocity BC Set，添加【 Add an Acoustic Boundary Condition 】子分支。雙擊結構樹 Locations 下的 Faces，彈出面定義框，選中曲軸聲學網(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。 耦合聲場分布計算。單擊【 Insert】，依次找到【 BEM Analysis Cases】、第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 36 【 VibroAcoustic Response Analysis Case】，在對話框中將 Boundary Condition Set設置成 Use an Existing One， Structural Mode Set 設置成 Use an Existing One 并選中分支 Mode ，其余默認。關閉對話框后，雙擊結構樹上的的 VibroAcoustic Mesh Structural Mesh，并選擇曲軸結構網(wǎng)格。雙擊 Acoustical Mesh,并選擇曲軸聲學網(wǎng)格。雙擊 VibroAcoustic Response Solution ，輸入計算頻率的范圍：起始頻率 100HZ、終止頻率 3000HZ、每間隔 100HZ 計算一次。最后在 Acoustic Response Solution 上單擊右鍵，選擇【 Update】開始計算。 場點計算。單擊菜單【 Insert】→【 BEM Analysis Cases】→【 Acoustic Field Response Analysis Case】，彈出計算場點對話框，在結構樹上選中 Acoustic Response Solution ， Output 設置成 All Field Points，單擊【 OK】即可。在 Acoustic Field Response Solution 上單擊鼠標右鍵，選擇【 Update】開始計算。計算結束后，選中 Acoustic Field Response Solution 單擊右鍵，選擇【 Generate Image】即要生成圖像，在對話框中選中 Pressure Amplitude dB(RMS)，單擊【 OK】按鈕，就可以看到場點上的聲壓 dB(RMS)云圖。如圖 53 為 830HZ 的曲軸聲壓云圖 ， 圖 52 為曲軸聲構耦合模型 ： 圖 52 曲軸 聲構耦合模型 第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 37 圖 53 830 HZ 曲軸 場點聲壓 云圖 1計算場點上的聲壓頻率響應函數(shù)。單擊菜單【 Insert】→【 Other Analysis cases】→【 Vector to Function Conversion Case】， 將 Conversion Type 設置成Load Vector to Function， Vector Set 設置成 Reference a Defined Vector Set，然后選擇結構樹上的 Acoustic Field Response Solution ，然后將 Input and Output Points 設置成 Make a Selection 和 Use a New I/O Point Set，單擊【 OK】關閉對話框。在 Output Points 上單擊鼠標右鍵，選擇【 Create Single IOPoint】→【 New IOPoint】，然后單擊場點上的點，自由度選擇 S，用同樣的方法可以多選擇幾個點。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 對話框先選擇一個點，單擊【 Display】按鈕，然后再選擇另外一個點，單擊【 Add】，最后選擇【 Format】→【 dB】，這時候曲線就是以聲壓 dB 的形式顯示，如圖 54 所示： 圖 54 曲軸 聲壓曲線圖 第五章 曲軸結構的振動噪聲分析 38 線 1 代表場點 35123 的聲壓曲線圖 線 2 代表場點 35105 的聲壓曲線圖 1保存模型。單擊【 Save Management】即可。 本章小結 本章簡述了與聲場分析有關的邊界元理論，并介紹了 軟件的特點和振動、噪聲模塊的功能。進而對曲軸結構進行聲構耦合分析，得到了聲壓云圖及聲壓曲線 圖 。 第六章 結論與展望 39 第六章 結論與展望 結論 本文應用 UG 軟件建立了曲軸連桿機構的三維實體模型，應用 ANSYS WORKBENCH 建立了該機構與曲軸的有限元模型，并行模態(tài)分析，得到機構與曲軸的振型及固有頻率。為發(fā)動機曲軸連桿機構的改進、優(yōu)化以及設計提出了一種可靠的研究方法。最后，應用 軟件采用有限元方法對曲軸結構進行聲場分