一種板結(jié)構(gòu)-聲場耦合分析方法、裝置和計(jì)算設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及聲場預(yù)測的數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域，具體設(shè)及一種板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方 法、裝置和計(jì)算設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 結(jié)構(gòu)-聲場禪合系統(tǒng)包含結(jié)構(gòu)域、聲場域W及兩個(gè)域之間的禪合作用，通常，在結(jié) 構(gòu)域用位移描述結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，在聲場域用聲壓描述聲場的狀態(tài)。幾乎所有的聲學(xué)問題都與 結(jié)構(gòu)-聲場禪合系統(tǒng)有關(guān)，結(jié)構(gòu)-聲場禪合系統(tǒng)的分析能為結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化提供重要的信息， 特別是容易受到聲壓激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)的彈性薄壁結(jié)構(gòu)件，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)-聲場禪合系統(tǒng)的 研究具有重要的工程意義；同時(shí)在汽車結(jié)構(gòu)聲腔中預(yù)測駕駛室聲壓及車外空氣等引起的外 聲場噪聲也有一定的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 目前，結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析的主要方法有解析法和數(shù)值法，其中數(shù)值法主要是有 限元法（Finite Element Method,FEM)。FEM是一種標(biāo)準(zhǔn)離散方程計(jì)算工具，在求解聲場或 者結(jié)構(gòu)時(shí)需要對(duì)時(shí)間（瞬態(tài)問題）和空間進(jìn)行離散。它W變分原理和局部插值為基礎(chǔ)，把 所考慮聲場或者結(jié)構(gòu)離散成許多單元，在各單元內(nèi)假定聲壓和速度分布模式，每個(gè)單元內(nèi) 的場點(diǎn)聲壓由多項(xiàng)式函數(shù)構(gòu)成的形函數(shù)近似得到。近似值的精度通過細(xì)分單元或者應(yīng)用更 加復(fù)雜或高階的形函數(shù)來提高。各單元間通過節(jié)點(diǎn)相連接W實(shí)現(xiàn)速度的傳遞，并在其聯(lián)接 處滿足聲壓值或位移協(xié)調(diào)條件，最后建立一套線性方程組并通過求解該些方程組獲得各單 元和結(jié)點(diǎn)的聲壓、質(zhì)點(diǎn)速度等未知量。
[0004] 從理論上講，有限元法可適用于求解任何聲學(xué)問題。但根據(jù)波長與單元尺寸關(guān)系 的要求，為了得到較好的精度，聲學(xué)有限元法需要大量的單元。而且隨著計(jì)算頻率的增加， 數(shù)值色散導(dǎo)致的污染誤差也急劇增加，于是網(wǎng)格密度和迭代次數(shù)（為了達(dá)到要求的精度） 也隨著波數(shù)的增加而增加，導(dǎo)致計(jì)算所消耗的內(nèi)存和時(shí)間急劇上升，計(jì)算效率下降。因此， 有限元分析通常只應(yīng)用于低頻段的聲學(xué)計(jì)算中。對(duì)中高頻問題，有限元法的計(jì)算誤差較大， 需要考慮離散導(dǎo)致的數(shù)值色散效應(yīng)。
[0005] 邊界元法炬oundary Element Method, BEM)是在有限元法之后發(fā)展起來的一種較 精確有效的方法，又稱邊界積分方程-邊界元法，它W定義在邊界上的邊界積分方程為控 制方程，通過對(duì)邊界分元插值離散，化為代數(shù)方程組求解。
[0006] 有限元-徑向點(diǎn)插值法（Finite Element-Radial Point Inte;rpolation Method, FE-RPIM)是將有限元法與無網(wǎng)格法中的徑向點(diǎn)插值相結(jié)合的一種混合方法，主要是將有限 元形函數(shù)和徑向點(diǎn)插值形函數(shù)相結(jié)合，在全局范圍內(nèi)采用有限元形函數(shù)插值，在局部范圍 內(nèi)應(yīng)用徑向點(diǎn)插值法形函數(shù)插值，通過綜合有限元與徑向點(diǎn)插值各自的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)造復(fù)合的 有限元-徑向點(diǎn)插值法形函數(shù)，該形函數(shù)具有克羅內(nèi)克爾性質(zhì)和單元兼容性。
[0007] 如何將數(shù)值計(jì)算FE-RPIM/BEM方法應(yīng)用到結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析領(lǐng)域，現(xiàn)有技術(shù)尚 未提出有效的解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引鑒于上述問題，提出了本發(fā)明W便提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上 述問題的板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法、裝置和計(jì)算設(shè)備。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法，適于在計(jì)算設(shè) 備中運(yùn)行，并包括如下步驟：
[0010] 結(jié)合有限元法和徑向點(diǎn)插值法，對(duì)板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散；
[0011] 根據(jù)邊界元法構(gòu)造聲場域的邊界積分方程；W及
[0012] 根據(jù)離散后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程、邊界積分方程和結(jié)構(gòu)-聲場的禪合邊界條件，構(gòu) 造結(jié)構(gòu)-聲場禪合方程。
[0013] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法，其中，所述結(jié)合有限元法和徑向 點(diǎn)插值法，對(duì)板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散，包括：
[0014] 根據(jù)有限元法建立單元內(nèi)位置點(diǎn)的第一位移方程；
[0015] 根據(jù)徑向點(diǎn)插值法建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)的第二位移方程；
[0016] 根據(jù)第一位移方程和第二位移方程，獲取有限元法-徑向點(diǎn)插值法的形函數(shù)矩 陣，并對(duì)形函數(shù)矩陣求導(dǎo)；
[0017] 根據(jù)形函數(shù)矩陣W及其求導(dǎo)結(jié)果，對(duì)板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散。
[001引可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法，其中，所述根據(jù)形函數(shù)矩陣W及 其求導(dǎo)結(jié)果，對(duì)板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散，包括
[0019] 定義板結(jié)構(gòu)的參數(shù)；
[0020] 根據(jù)所述參數(shù)、形函數(shù)矩陣和形函數(shù)矩陣的求導(dǎo)結(jié)果，確定板單元?jiǎng)偠染仃嚒鍐?元質(zhì)量矩陣、表面載荷列陣和體積力列陣；
[0021] 根據(jù)板單元?jiǎng)偠染仃?、板單元質(zhì)量矩陣、表面載荷列陣和體積力列陣，對(duì)板結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散；
[0022] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法，其中，所述根據(jù)邊界元法構(gòu)造聲 場域的邊界積分方程，包括：
[0023] 建立聲場域的亥姆霍茲波動(dòng)方程；
[0024] 建立聲場邊界條件；
[0025] 根據(jù)亥姆霍茲波動(dòng)方程和邊界條件，建立邊界積分方程；
[0026] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析方法，其中，所述根據(jù)離散后的系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)方程、邊界積分方程和結(jié)構(gòu)-聲場的禪合邊界條件，構(gòu)造結(jié)構(gòu)-聲場禪合方程，包括：
[0027] 建立結(jié)構(gòu)-聲場的禪合邊界條件；
[002引根據(jù)禪合邊界條件，確定禪合力；
[0029] 根據(jù)禪合力，對(duì)離散后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程和邊界積分方程進(jìn)行聯(lián)立，得到結(jié) 構(gòu)-聲場禪合方程。
[0030] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種一種板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析裝置，駐留在計(jì) 算設(shè)備中，并包括：
[0031] 結(jié)構(gòu)域模型建立單元，適于結(jié)合有限元法和徑向點(diǎn)插值法，對(duì)板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)力 學(xué)方程進(jìn)行離散；
[0032] 聲場域模型建立單元，適于根據(jù)邊界元法構(gòu)造聲場域的邊界積分方程；W及
[0033] 禪合模型建立單元，適于根據(jù)離散后的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程、邊界積分方程和結(jié) 構(gòu)-聲場的禪合邊界條件，構(gòu)造結(jié)構(gòu)-聲場禪合方程。
[0034] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析裝置，其中，所述結(jié)構(gòu)域模型建立單元 進(jìn)一步適于：
[0035] 根據(jù)有限元法建立單元內(nèi)位置點(diǎn)的第一位移方程；
[0036] 根據(jù)徑向點(diǎn)插值法建立單元內(nèi)節(jié)點(diǎn)的第二位移方程；
[0037] 根據(jù)第一位移方程和第二位移方程，獲取有限元法-徑向點(diǎn)插值法的形函數(shù)矩 陣，并對(duì)形函數(shù)矩陣求導(dǎo)；
[003引定義板結(jié)構(gòu)的參數(shù)；
[0039] 根據(jù)所述參數(shù)、形函數(shù)矩陣和形函數(shù)矩陣的求導(dǎo)結(jié)果，確定板單元?jiǎng)偠染仃?、板?元質(zhì)量矩陣、表面載荷列陣和體積力列陣；
[0040] 根據(jù)板單元?jiǎng)偠染仃嚒鍐卧|(zhì)量矩陣、表面載荷列陣和體積力列陣，對(duì)板結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行離散；
[0041] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析裝置，其中，所述聲場域模型建立單元 進(jìn)一步適于：
[0042] 建立聲場域的亥姆霍茲波動(dòng)方程；
[0043] 建立聲場邊界條件；
[0044] 根據(jù)亥姆霍茲波動(dòng)方程和邊界條件，建立邊界積分方程；
[0045] 可選地，根據(jù)本發(fā)明板結(jié)構(gòu)-聲場禪合分析裝置，其中，所述禪合模型建立單元進(jìn) 一步適于：
[0046] 建立結(jié)構(gòu)-聲場的禪合邊界條件；
[0047] 根據(jù)禪合邊界條件，確定禪合