戴 林

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210095

家用割草機殼體的外輻射聲場分析

戴 林

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210095

有限元方法是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計分析中一種快捷、有效的輔助計算分析工具。在理論分析方面，建立小型家用割草機殼體的有限元模型，利用ANSYS軟件對模型進行模態(tài)分析，得到其結(jié)構(gòu)外部聲場特性，包括殼體的模態(tài)和振型等。在此基礎(chǔ)上，利用聲模態(tài)理論對殼體外聲場壓分布進行了分析討論，為工程結(jié)構(gòu)的減震降噪設(shè)計提供了可靠的數(shù)據(jù)。

有限元；工程結(jié)構(gòu)；殼體；模態(tài)分析；輻射聲場

1 概述

1.1 問題的提出及研究意義

2000年7月3日，歐共體官方公報發(fā)布了成員國有關(guān)戶外使用的設(shè)備環(huán)境噪聲的法規(guī)2000 /14 /EC指令，其中對電動工具、家用及類似用途電器的噪聲測量方法及限值做了明確規(guī)定。規(guī)定自2006年1月3日起，草坪割草機A 計權(quán)聲功率級不得大于94dB，比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)低2dB[1]。這對我國出口歐洲的割草機提出更高要求。我國企業(yè)生產(chǎn)的家用電動草坪割草機要繼續(xù)銷往歐洲市場，就必須達到新的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 有限元法技術(shù)概況

有限單元法第一個工程上成功的嘗試是對于飛機結(jié)構(gòu)的分析，20世紀(jì)50年代，波音公司的一個技術(shù)小組，首先將連續(xù)體的機翼離散為三角形板塊的集合來進行應(yīng)力分析，經(jīng)過一番波折后獲得成功。初期的有限單元法是建立在虛功原理的基礎(chǔ)上[2]。1963年～1964年Besseling、Melosh 和Jones 等人證明了有限元法是基于變分原理的里茲（Ritz）法的另一種形式，確認(rèn)了有限元法是處理連續(xù)介質(zhì)問題的一種普遍方法，擴大了有限元方法的應(yīng)用范圍[3]。

1.3 有限元法在工程結(jié)構(gòu)外輻射聲場分析方面的研究概況

為了在當(dāng)前激烈的市場競爭和巨大的內(nèi)外環(huán)境壓力下，提高企業(yè)的應(yīng)變能力和競爭能力，外國研究人員提出了一種研究方法以 CAD/CAE 為基礎(chǔ)的模擬分析計算方法。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，CAD/CAE 技術(shù)在各設(shè)計部門起著越來越重要的作用，有限元法作為 CAD/CAE 技術(shù)的一種，最初是在20世紀(jì)50年代作為處理固體力學(xué)問題的方法出現(xiàn)的。在研究振動噪聲方面，有限元法作為一種重要的方法，受到了廣大工程技術(shù)人員的青睞。

2 割草機殼體有限元建模

2.1 建模和分析軟件

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場以及碰撞等問題。因此它可以應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域：航天航空、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電子系統(tǒng)、運動器械等。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)絡(luò)劃分工具，用戶可以方便的構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可以將計算結(jié)果以圖表、曲線形式或輸出。

2.2 割草機殼體3D模型

本文使用ANSYS直接建模，使用割草機模型的APDL語言，按照步驟逐步生成割草機的模型。通過坐標(biāo)的方法先建立割草機外殼體，然后依次建立四輪，建立排草孔，前輪軸孔，后輪軸孔，后輪軸孔，以及為割草機邊上倒圓角。割草機結(jié)構(gòu)由許多自由曲面和有許多小結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在不對結(jié)果產(chǎn)生很大影響的前提下對其進行簡化處理。簡化處理會使幾何模型所表達的力學(xué)性能與其實際結(jié)構(gòu)力學(xué)性能之間存在誤差，并對以后的聲模態(tài)分析結(jié)果造成影響。要將此誤差控制在精度許可范圍內(nèi)，必須在簡化時認(rèn)真分析其特點功能，以便進行適當(dāng)處理。因此，簡化模型時要根據(jù)CAE分析的目的，分析各零件幾何特征，據(jù)其對研究結(jié)果的影響程度大小進行取舍，盡量去掉對研究結(jié)果影響較小的幾何特征。以使所建模型既能保證分析精度、又能控制計算規(guī)模，做到精度與效率兼顧。根據(jù)ANSYS有限元分析軟件的計算需要和要求，在不影響精度的前提下對割草機殼體進行必要的簡化。忽略車身上用于裝配其他部件的螺釘、螺母和各面與面之間較小的倒圓，以及對力學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小的沖壓筋、孔和一些工藝結(jié)構(gòu)等。

2.3 割草機殼體參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分

割草機的機殼材料為聚丙烯，密度為0.9g/cm3，彈性模量為1.3GPa，泊松比0.38。機殼的厚度為2.5mm，對其采用面建模的方式，用殼單元she ll63劃分網(wǎng)格。電機用集中質(zhì)量單元mass21代替。根據(jù)給出的參數(shù)，定義單元類型，定義單元實常數(shù)，定義外殼材料參數(shù)。在完成文件工作名后，設(shè)置第一類單元類型為“Structural shell”和elastic4node63，然后設(shè)置第二類單元類型為Structural Mass和3Dmass21。定義單元實常數(shù)及材料屬性，定義第一類單元實常數(shù)為2.5，此條命令目的是確定割草機殼體的厚度。因為ANSYS中沒有定義任何一套單位制，單位制的使用全在操作者自己掌握，關(guān)鍵是操作者在使用各個量的單位時必須統(tǒng)一[5]。國際單位制是大多數(shù)人的選擇。如長度單位為米，質(zhì)量單位為千克，物質(zhì)的量單位為摩爾等。材料屬性設(shè)置為密度為0.9g/cm3，彈性模量為1.3GP，泊松比為0.38。之前已完成模型的導(dǎo)入與網(wǎng)格劃分等工作，設(shè)置“網(wǎng)格單元尺寸”為0.1m，對體進行自由劃分網(wǎng)格。

3 割草機殼體的模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析概況

割草機殼體是由車身壁板圍成的封閉空腔，聲學(xué)系統(tǒng)的振動模態(tài)是以聲壓分布為特征的。在20Hz～200Hz是一個值得重視的特殊頻段，因為20Hz是能聽到的最低頻率，而200Hz以下頻率是車身結(jié)構(gòu)振動引起的殼體噪聲集中的頻率，在如此低的頻率范圍內(nèi)，常規(guī)的吸聲降噪措施作用不大。為解決這個問題，首先要對割草機殼體進行聲學(xué)動態(tài)特性分析。

3.2 模態(tài)分析步驟

3.2.1 建立模型

如前所述，根據(jù)給出的參數(shù)，定義單元類型，定義單元實常數(shù)，定義外殼材料參數(shù)。然后合理的劃分網(wǎng)格，得到需要多的單元和節(jié)點，生成割草機殼體的模型。生成質(zhì)量塊單元，由于第二類單元類型表示電機質(zhì)量，所以需要另外處理。

3.2.2 加載求解

接著進入分析計算模塊對其求解。分析類型設(shè)置為modal（即模態(tài)分析）。

3.2.3 模態(tài)計算結(jié)果分析

進入計算，并計算出其前10階的模態(tài)頻率和模態(tài)振型。對割草機殼體進行模態(tài)分析，可以得到它固有的模態(tài)頻率和振型。再通過設(shè)置些參數(shù)即可查看各階計算出來的模態(tài)頻率和模態(tài)振型。模型中不同的顏色代表相對位移，據(jù)此可以看出，割草機聲學(xué)模型中是以位移變化為主要模態(tài)的殼體聲學(xué)模態(tài)。從各階模態(tài)振型中可以看出，由于割草機殼體的橫向?qū)ΨQ性，割草機上的各階模態(tài)振型具有左右對稱的特點。割草機殼體從第一階時具有振型，頻率從4.55Hz開始向上增加。

4 割草機殼體的外輻射聲場分析

4.1 建立模型

建立簡易3D模型：

割草機殼體的外輻射分析是一種耦合場分析，需要考慮兩個工程物理量場之間相互作用的分析。進行外輻射聲場分析時，因為要與空氣發(fā)生耦合，之前的模型產(chǎn)生的耦合界面過多，不易選取和計算，所以指導(dǎo)老師建議將模型進行再一次的簡化。這次我們就選取割草機的殼體作為模型，舍去四輪、排草孔、前輪軸孔、后輪軸孔。定義單元實常數(shù)及材料屬性，定義第一類單元實常數(shù)為2.5，此條命令目的是確定割草機殼體的厚度。定義第三類單元實常數(shù)為0.3。定義割草機殼體材料屬性，設(shè)置為密度dens為0.9g/cm3，彈性模量ex為1.3GP，泊松比nuxy為0.38；定義空氣介質(zhì)屬性，設(shè)置為密度dens為1.21，聲速SONC為344m/s。

4.2 劃分模型網(wǎng)格

將網(wǎng)格的大小定位40。選擇劃分的項選取Area，然后選取割草機的六個平面，劃分網(wǎng)格。再對半球進行劃分網(wǎng)格時，要選擇半球的單元類型，實數(shù)已經(jīng)材料屬性。我們要對半球的體volums進行劃分。選擇劃分的長度為100。隨后加載和求解，即可得出結(jié)論。

4.3 計算結(jié)果和分析

經(jīng)ANSYS求解，則可得到聲壓最大值和最小值。

5 結(jié)論

在該有限元模型基礎(chǔ)上，論文首先對割草機殼體進行模態(tài)分析，獲得了割草機殼體的固有振動特性，包括特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。了解割草機上的薄弱部分和需要改善的地方。

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，我們對割草機的外輻射聲場進行了詳細的分析，我們知道了割草機在不同頻率下的聲壓分布和結(jié)構(gòu)的固有頻率。

[1]吳愷民.歐盟2000/14/EC指令對于空氣中輻射噪聲測試的規(guī)定[J].電動工具，2005(1)：18-21.

[2]Kang，John.Hon.On the accuracy of nearfield pressure predicted by the acoustic bound-ary element method[J].Journal of Sound and Vibration，2000，233(2)：353-358.

[3]韓西，鐘厲，李博.有限元分析在結(jié)構(gòu)分析和計算機仿真中的應(yīng)用[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001(20)：124-126.

[4]李修平.基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D].武漢：華中科技大學(xué)機械工程學(xué)院，2005：25-30.

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1674-6708（2011）53-0070-02