專利名稱：一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)械工程領(lǐng)域，具體涉及一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法。
背景技術(shù)：
汽車蒙皮結(jié)構(gòu)受到車輛行駛過程中的各種激勵(lì)，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲輻射。表面阻尼處理技術(shù)通過提高結(jié)構(gòu)阻尼，可以有效抑制共振，從而降低由結(jié)構(gòu)振動(dòng)而引起的噪聲輻射，是解決工程中振動(dòng)和噪聲的十分有效的技術(shù)，已廣泛用于工程實(shí)踐中。結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面阻尼處理之后，其減振降噪的效果如何，需要有行之有效的方法來對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)，以便根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化表面阻尼的粘貼方式。亦即需要對(duì)表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)分析及聲輻射預(yù)測(cè)。表面阻尼處理結(jié)構(gòu)的理論分析方法有復(fù)剛度法、有限元法等。其中有限元法不受邊界條件限制，適用面更廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷面提供一種表面阻尼處理結(jié)構(gòu)有限元建模，將結(jié)構(gòu)離散為點(diǎn)聲源并計(jì)算聲輻射算法的實(shí)現(xiàn)的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)解決方案來實(shí)現(xiàn)一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其首先把約束層、阻尼層、基體層看成一個(gè)整體，整體劃分單元方法建立表面阻尼處理結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，又將每個(gè)單元?jiǎng)澐譃槿舾晌⒃?，將每個(gè)微元當(dāng)作一點(diǎn)聲源，以每個(gè)微元為一單位，分別計(jì)算聲壓和聲功率之后疊加起來，預(yù)測(cè)出由于整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲輻射。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于將約束層、阻尼層、基體層看成一個(gè)整體，這能更好地體現(xiàn)出阻尼結(jié)構(gòu)各層之間協(xié)調(diào)關(guān)系，并有自由度少、運(yùn)算省時(shí)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。算例表明，用整體劃分單元法分析經(jīng)過表面阻尼處理的薄板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，并用微元法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的聲輻射時(shí)，所有單元和節(jié)點(diǎn)都參與運(yùn)算，這在算法上要比分層劃分單元法更容易實(shí)現(xiàn)，并具有單元總數(shù)少、運(yùn)算省時(shí)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，使用簡(jiǎn)單方便、精度滿足工程要求。這可為表面阻尼處理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。
本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)、和特點(diǎn)，將通過下面優(yōu)先實(shí)施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋，這些實(shí)施例是參照附圖僅作為例子給出的。


圖1為自由阻尼處理薄板有限元模型圖示。
圖2為約束阻尼薄板結(jié)構(gòu)有限元模型圖示。
圖3為單元與微元示意圖。
圖4為四角簡(jiǎn)支自由阻尼處理板圖示。
具體實(shí)施例方式
如圖1-4所示本發(fā)明其首先把約束層1、阻尼層2、基體層3看成一個(gè)整體，整體劃分單元方法建立表面阻尼處理結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，又將每個(gè)單元?jiǎng)澐譃槿舾晌⒃?，將每個(gè)微元當(dāng)作一點(diǎn)聲源，以每個(gè)微元為一單位，分別計(jì)算聲壓和聲功率之后疊加起來，預(yù)測(cè)出由于整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲輻射。所述的表面阻尼處理結(jié)構(gòu)有限元建模包括有a、自由阻尼板有限元模型，b、約束阻尼板有限元模型，c、用能量法得到單元的剛度矩陣，d、用能量法得到單元的質(zhì)量矩陣步驟；聲輻射分析包括有a、振動(dòng)輻射聲壓的計(jì)算，b、輻射聲功率的計(jì)算，c、輻射效率的計(jì)算步驟。
一、表面阻尼處理結(jié)構(gòu)有限元建模a、自由阻尼板有限元模型如附圖1所示，單元為矩形單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)取五個(gè)自由度u1、v1、w、θx、θy，每個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有7個(gè)位移分量，分別是u1、v1、u2、v2、w、θx、θy。其中，u1、v1分別是基體層x和y方向拉伸位移，θx、θy分別是剖面繞x軸和y軸轉(zhuǎn)角。u2、v2分別是阻尼層x和y方向拉伸位移，w為板的橫向位移分量，整個(gè)單元有20個(gè)自由度，θx＝w/y，θy＝-w/x。
b、約束阻尼板有限元模型單元如圖2所示，單元形狀和節(jié)點(diǎn)數(shù)與自由阻尼單元相同。不同處在于每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，w、θx、θy、u1、v1、u3、v3，其中，u1、v1分別是基體層x和y方向拉伸位移，u3、v3分別是基體層x和y方向拉伸位移，w為板的橫向位移分量，θx、θy分別是剖面繞x軸和y軸轉(zhuǎn)角。整個(gè)單元有28個(gè)自由度。
c、用能量法得到單元的剛度矩陣通過結(jié)構(gòu)的變形能方法得到上面兩種單元的剛度和質(zhì)量矩陣。在上面的兩種有限元模型中，結(jié)構(gòu)變形能如下自由阻尼結(jié)構(gòu)變形能＝阻尼層的拉伸和彎曲變形能+基體層的拉伸和彎曲變形能約束阻尼結(jié)構(gòu)變形能＝約束層的拉伸和彎曲變形能+阻尼層的剪切變形能+基體層的拉伸和彎曲變形能。
其中各層的彎曲變形能表達(dá)式為Uflexn=12∫∫AEnhn312(1-μn2)[(∂2w∂x2)2+(∂2w∂y2)2+2μn∂2w∂x2∂2w∂y2+2(1-μn)∂2w∂x∂y]dxdy]]>(腳標(biāo)n＝1，2，3分別代表基體層、阻尼層、約束層，以下同)式中En，hn，μn分別為各層的彈性模量、厚度、泊松比，以下同。
各層的拉伸變形能為Uextn=12∫∫AEnhn1-μn2[(∂un∂x)2+(∂vn∂y)2+2μn∂un∂x∂vn∂y+]]>+(1-μn)2(∂un∂x+∂vn∂y)2]dxdy,]]>(n＝1，2，3分別代表基體層、阻尼層、約束層)約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼層的剪切變形能為Ushear=12∫∫AG2h2(γxz2+γyz2)dxdy]]>
式中γxz=1h2(u1-u3)+h0h2∂w∂x,]]>γyz=1h2(v1-v3)+h0h2∂w∂y]]>h0=h2+12(h1+h3)]]>將各位移分量分別用相應(yīng)的形函數(shù)和單元節(jié)點(diǎn)位移向量表示并帶入變形能表達(dá)式后可得單元?jiǎng)偠染仃嘖e。對(duì)自由阻尼單元和約束阻尼單元，單元的形函數(shù)矩陣是不一樣的，不具體列出。
d、用能量法得到單元的質(zhì)量矩陣自由阻尼單元?jiǎng)幽鼙磉_(dá)式T=12∫∫A[m1(u·12+v·12)+m2(u·22+v·22)+(m1+m2)w·2]dxdy]]>約束阻尼單元?jiǎng)幽鼙磉_(dá)式T=12∫∫A[m1(u·12+v·12)+m3(u·32+v·32)+(m1+m2+m3)w·2]dxdy]]>其中，mn(n＝1，2，3)為各層單位面積的質(zhì)量將各位移分量分別用相應(yīng)的形函數(shù)和單元節(jié)點(diǎn)位移向量表示后可得單元質(zhì)量矩陣Me。
二、聲輻射分析分析結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)的情況。在用有限元法求解得到節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移向量后，根據(jù)單元的形函數(shù)及單元節(jié)點(diǎn)位移向量求出各單元內(nèi)的非節(jié)點(diǎn)處位移。再將每個(gè)單元?jiǎng)澐殖扇舾蓚€(gè)微元，如附圖3所示，圖中粗實(shí)線為單元的分界線，細(xì)實(shí)線為每個(gè)單元中微元的分界線。將每個(gè)微元當(dāng)作一點(diǎn)聲源，微元的振動(dòng)速度取幾個(gè)點(diǎn)的平均速度。以每一微元為一單位，分別計(jì)算聲壓、聲功率之后疊加起來，即得整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲壓及聲功率。
a、振動(dòng)輻射聲壓的計(jì)算將結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元都劃分成若干個(gè)微元，微元的振動(dòng)速度取幾個(gè)點(diǎn)的平均速度。對(duì)第n個(gè)單元的第s個(gè)微元求出其上四個(gè)角點(diǎn)及中心點(diǎn)的平均振速uns，求出此微元在聲場(chǎng)中點(diǎn)(x，y)的聲壓Pns，將所有單元的全部微元在(x，y)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓進(jìn)行疊加，得整個(gè)結(jié)構(gòu)在空間(x，y)點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓P=Σn=1NΣs=1qPns]]>式中N為單元總數(shù)，q為每個(gè)單元所劃分的微元總數(shù)。
b、輻射聲功率的計(jì)算輻射聲功率PW=12Re{∫∫AP(x,y)u*(x,y)dxdy}]]>式中Pw為聲功率，u*(x，y)為表面振速的共軛，P(x，y)為表面聲壓，據(jù)此，輻射聲功率可表示為Pw=Σn=1NΣs=1q12Re(Pnss×uns*)×Δs]]>式中Pnss為第n個(gè)單元第s個(gè)微元表面聲壓。每個(gè)微元表面聲壓取其中心點(diǎn)聲壓，uns*為uns的共軛，Δs為微元面積。
c、輻射效率輻射效率σ=2PW/ρcsvn2]]>式中s為輻射面積，vn2為振動(dòng)表面的均方速，ρ和c分別為空氣的密度及聲速。
聲輻射分析是一個(gè)很復(fù)雜的問題，對(duì)于復(fù)雜模型，不可能有哪怕是近似的解析解。為了說明本方法的正確可行性，有可比對(duì)象，這里采用一個(gè)四角簡(jiǎn)支自由阻尼處理板作為分析對(duì)象如附圖4所示。此算例相對(duì)簡(jiǎn)單，可以得到近似的解析解，故可將本方法所得結(jié)果與解析解做一個(gè)清晰的比較。板的幾何尺寸及材料特性如下板長(zhǎng)和寬均為0.4m，E1＝2.1e11N/m2，ρ1＝7.8e3kg/m3，μ1＝0.3，h1＝0.01m。E2＝4.992e8N/m2，ρ2＝1.05e3kg/m3，μ2＝0.3，h2＝0.01m。。對(duì)此算例，用本方法計(jì)算出板的一階模態(tài)在部分頻率下的輻射效率，計(jì)算結(jié)果和近似解析解列在表一中。表一計(jì)算結(jié)果比較

由計(jì)算結(jié)果可見，兩種結(jié)果非常相近。用本方法計(jì)算時(shí)，整個(gè)模型共分成16個(gè)單元，計(jì)算聲輻射時(shí)，每個(gè)單元又劃分為25個(gè)微元，計(jì)算某一個(gè)頻率下的輻射效率只要幾十秒鐘。因而用本方法可用來解決結(jié)構(gòu)表面阻尼處理后的聲輻射預(yù)測(cè)問題，應(yīng)用邊界條件非常廣泛。此功能是一般商用軟件所不能實(shí)現(xiàn)的。
除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于首先把約束層、阻尼層、基體層看成一個(gè)整體，整體劃分單元方法建立表面阻尼處理結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)表面阻尼處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及響應(yīng)預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，又將每個(gè)單元?jiǎng)澐譃槿舾晌⒃?，將每個(gè)微元當(dāng)作一點(diǎn)聲源，以每個(gè)微元為一單位，分別計(jì)算聲壓和聲功率之后疊加起來，預(yù)測(cè)出由于整個(gè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于表面阻尼處理結(jié)構(gòu)有限元建模包括有a、自由阻尼板有限元模型，b、約束阻尼板有限元模型，c、用能量法得到單元的剛度矩陣，d、用能量法得到單元的質(zhì)量矩陣步驟；聲輻射分析包括有a、振動(dòng)輻射聲壓的計(jì)算，b、輻射聲功率的計(jì)算，c、輻射效率的計(jì)算步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于自由阻尼板有限元模型，單元為矩形單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)取五個(gè)自由度u1、v1、w、θx、θy，每個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有7個(gè)位移分量，分別是u1、v1、u2、v2、w、θx、θy；其中，u1、v1分別是基體層x和y方向拉伸位移；θx、θy分別是剖面繞x軸和y軸轉(zhuǎn)角；u2、v2分別是阻尼層x和y方向拉伸位移；w為板的橫向位移分量，整個(gè)單元有20個(gè)自由度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于約束阻尼板有限元模型，單元為矩形單元，每個(gè)單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有七個(gè)自由度，w、θx、θy、u1、v1、u3、v3，其中，u1、v1分別是基體層x和y方向拉伸位移，u3、v3分別是基體層x和y方向拉伸位移，w為板的橫向位移分量，θx、θy分別是剖面繞x軸和y軸轉(zhuǎn)角；整個(gè)單元有28個(gè)自由度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于用能量法得到單元的剛度矩陣，自由阻尼結(jié)構(gòu)變形能＝阻尼層的拉伸和彎曲變形能+基體層的拉伸和彎曲變形能，約束阻尼結(jié)構(gòu)變形能＝約束層的拉伸和彎曲變形能+阻尼層的剪切變形能+基體層的拉伸和彎曲變形能，其中各層的彎曲變形能表達(dá)式為Uflexn=12∫∫AEnhn312(1-μn2)[(∂2w∂x2)2+(∂2w∂y2)2+2μn∂2w∂x2∂2w∂y2+]]>2(1-μn)∂2w∂x∂y]dxdy]]>(腳標(biāo)n＝1，2，3分別代表基體層、阻尼層、約束層，以下同)式中En，hn，μn分別為各層的彈性模量、厚度、泊松比，以下同；各層的拉伸變形能為Uextn=12∫∫AEnhn1-μn2[(∂un∂x)2+(∂vn1∂y)2+2μn∂un∂x∂vn∂y]]>+(1-μn)2(∂un∂x+∂vn∂y)2]dxdy,]]>(n＝1，2，3分別代表基體層、阻尼層、約束層)約束阻尼結(jié)構(gòu)阻尼層的剪切變形能為Ushear=12∫∫AG2h2(γxz2+γyz2)dxdy]]>式中γxz=1h2(u1-u3)+h0h2∂w∂x,γyz=1h2(v1-v3)+h0h2∂w∂y]]>h0=h2+12(h1+h3)]]>將各位移分量分別用相應(yīng)的形函數(shù)和單元節(jié)點(diǎn)位移向量表示并帶入變形能表達(dá)式后可得單元?jiǎng)偠染仃嘖e。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于用能量法得到單元的質(zhì)量矩陣，自由阻尼單元?jiǎng)幽鼙磉_(dá)式T=12∫∫A[m1(u·12+v·12)+m2(u·22+v·22)+(m1+m2)w·2]dxdy]]>約束阻尼單元?jiǎng)幽鼙磉_(dá)式T=12∫∫A[m1(u·12+v·12)+m3(u·32+v·32)+(m1+m2+m3)w·2]dxdy]]>其中，mn(n＝1，2，3)為各層單位面積的質(zhì)量將各位移分量分別用相應(yīng)的形函數(shù)和單元節(jié)點(diǎn)位移向量表示后可得單元質(zhì)量矩陣Me。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于分析結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性時(shí)，在用有限元法求解得到節(jié)點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移向量后，根據(jù)單元的形函數(shù)及單元節(jié)點(diǎn)位移向量求出各單元內(nèi)的非節(jié)點(diǎn)處位移，再將每個(gè)單元?jiǎng)澐殖扇舾蓚€(gè)微元，將每個(gè)微元當(dāng)作一點(diǎn)聲源，微元的振動(dòng)速度取幾個(gè)點(diǎn)的平均速度，以每一微元為一單位，分別計(jì)算聲壓、聲功率之后疊加起來，即得整個(gè)結(jié)構(gòu)的聲壓及聲功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于振動(dòng)輻射聲壓的計(jì)算，將結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元都劃分成若干個(gè)微元，微元的振動(dòng)速度取幾個(gè)點(diǎn)的平均速度，對(duì)第n個(gè)單元的第s個(gè)微元求出其上四個(gè)角點(diǎn)及中心點(diǎn)的平均振速uns，求出此微元在聲場(chǎng)中點(diǎn)(x，y)的聲壓Pns，將所有單元的全部微元在(x，y)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓進(jìn)行疊加，得整個(gè)結(jié)構(gòu)在空間(x，y)點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓P=Σn=1NΣs=1qPns]]>式中N為單元總數(shù)，q為每個(gè)單元所劃分的微元總數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于輻射聲功率的計(jì)算，輻射聲功率PW=12Re{∫∫AP(x,y)u*(x,y)dxdy}]]>式中Pw為聲功率，u*(x，y)為表面振速的共軛，P(x，y)為表面聲壓，據(jù)此，輻射聲功率可表示為Pw=Σn=1NΣs=1q12Re(Pnss×uns*)×Δs]]>式中Pnss為第n個(gè)單元第s個(gè)微元表面聲壓，每個(gè)微元表面聲壓取其中心點(diǎn)聲壓，uns*為uns的共軛，Δs為微元面積。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種預(yù)測(cè)汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)聲輻射的方法，其特征在于輻射效率，輻射效率σ=2PW/ρcsvn2]]>式中s為輻射面積，vn2為振動(dòng)表面的均方速，ρ和c分別為空氣的密度及聲速。
全文摘要
本發(fā)明是用于機(jī)械工程領(lǐng)域的一種汽車蒙皮表面阻尼處理結(jié)構(gòu)的聲輻射算法。它計(jì)算方法為一、表面阻尼處理結(jié)構(gòu)有限元建模a、自由阻尼板有限元模型，b、約束阻尼板有限元模型，c、用能量法得到單元的剛度矩陣，d、用能量法得到單元的質(zhì)量矩陣；二、聲輻射分析a、振動(dòng)輻射聲壓的計(jì)算，b、輻射聲功率的計(jì)算，c、輻射效率的計(jì)算；用本方法計(jì)算時(shí)，整個(gè)模型共分成16個(gè)單元，計(jì)算聲輻射時(shí)，每個(gè)單元又劃分為25個(gè)微元，計(jì)算某一個(gè)頻率下的輻射效率只要幾十秒鐘。因而用本方法可用來解決結(jié)構(gòu)表面阻尼處理后的聲輻射預(yù)測(cè)問題，應(yīng)用邊界條件非常廣泛。此功能是一般商用軟件所不能實(shí)現(xiàn)的。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1815229SQ20051003773
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月2日
發(fā)明者吳明, 楊莉, 朱正林, 朱壯瑞 申請(qǐng)人:南京汽車集團(tuán)有限公司