基于ANSYS的复杂结构抗性消声器性能分析

中原工学院学报

JOURNALOFZHONGYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.20 No.1Feb.,2009

文章编号:1671-6906(2009)01-0045-04

基于ANSYS的复杂结构抗性消声器性能分析

别小静,朱从云,李 力

(中原工学院,郑州 450007)

摘 要: 运用有限元分析软件ANSYS对内插管抗性消声器内部声场进行了有限元分析,以定性分析为目标,通过加载、求解及后处理等一系列的步骤对消声器内部声场及流体进行计算分析,理论计算结果和实验结果比较表明,理论计算结果是正确的,从而为分析类似的问题提供了理论方法.关 键 词:

消声器;有限元;声压分布

中图分类号: TU55 文献标识码: A

噪声水平已成为衡量柴油机质量和性能的重要指标之一.排气噪声在柴油机整机噪声中占重要比例.安装性能良好的排气消声器是控制排气噪声的有效途径.消声器的设计方法主要有声传递矩阵法和有限元法.目前声传递矩阵法的使用范围仍限于一维平面波传播,无法考虑高次模式波效应.由于实际的排气消声器一般具有复杂的结构,其内部的声波本质上是三维的,这时应采用精确的二维(或三维)理论[1]来进行分析.有限元分析方法是根据变分原则求解数学物理问题的一种数值方法,适应性强,是分析复杂形状系统动态特性的有力武器.本文利用有限元分析软件AN-SYS[2]的声学分析模块对某型号的扩张式抗性消声器进行声学分析,在消声器的入口端施加声压载荷,求得该消声器出口端的声压,进而求得该消声器的传递损失.

本假设[3]:

(1)介质为理想流体,即无粘泄性,声波在其中传播时量消耗,且介质是均匀的、各项同性的;

(2)传播过程是绝热过程,与外界不存在热交换;(3)声压p远小于介质静压强ps;质点速度远小于声速;质点位移远小于声波波长;介质密度增量Q远小于其静态密度Qs,即介质的物态变化是线性的.1.2 数学模型的建立

图1所示为本文所研究的抗性消声器的几何模型.其整个边界分成3部分:入口边界S1、出口边界S2和周侧边界S3.

[4]

1 数学模型的建立

1.1 基本假设

对于排气系统来说,消声器内的介质和声传播情况非常复杂.为了使消声器的理论分析模型既反映其物理本质,又具有相对简单的求解方法,必须对具体情况的物理现象进行合理抽象和简化,在不改变问题性质的前提下,对排气系统中的介质和声传播作以下基

收稿日期:2008-11-17

作者简介:别小静(1980)),女,河南南阳人,硕士生.

图1 轴对称抗性消声器示意图

抗性消声器在膨胀腔内部区域8内的二维波动方程为:

192P¨P=22

C9t2

(1)

对上式分离变量可得:

2¨P+k2P=0

(2)

式中,¨2)三维拉普拉斯算符;P)声压,Pa;C)

#46#

中原工学院学报2008年 第20卷

声波传播速度,m/s;k)波数,k=X;X)圆频率,rad/s;

c

在输入端S1和输出端S2处,因S1与S2的尺寸较膨胀腔截面尺寸小得多,故可以认为此两处的声波为一维平面波.于是,在S1上声压可表示为复数形式:

P=2P0e(3)式中,P0)输入声压的有效值;j)虚部符号.在S2上无反射的情况下,声压的法向导数为:9P=-jXQv(4)9n

在刚性壁S3上,法向粒子速度为零,即沿法向没有声压传递,则

9P=09n综合式(2))(5),得到消声器的数学模型¨P+kP=0 在8上9P=2ki-kpi9n9P=-ki9n9P=09n在S1上在S2上在S3上

(6)

2

2jXt

的二维﹑三维分析,而FLUID129、FLUID130则分别应用于FLUID29、FLUID30的无穷远处的界面单元.

ANSYS中插值函数[5]的选取和传统的有限元法一样,即服从等参单元的一般规则.对消声器进行单元分析时,采用四边形四节点等参单元求解,其形函数为

N1(E,G)=

1(1-E)(1-G)4

N2(E,G)=1(1+E)(1-G)

41(1+E)(1+G)41N4(E,G)=(1-E)(1+G)

4N3(E,G)=

将上式写成通式为:

1iE)(1+GiG)Ni(E,G)=(1+E

4

(8)

(5)

式中,E、G为单元坐标;Ei、Gi为自然坐标系中节点坐标值.如图2所示.

消声器的传递损失TL在消声器的进出口面积相等时的计算公式为:

TL=20lg(p1/p2)

式中,p1)入射声压;p2)透射声压.

(7)

图2 有限元计算单元

2 消声器的ANSYS分析

用ANSYS对抗性消声器进行声学分析,观察内部的消声性能和压力损失.消声器结构如图2所示.

消声器内任一点的声压可表示为:

n

P=iENiPi=N#P=1

e

e

(9)

式中,n为每个单元的节点数;N为单元形函数(插值函数)矩阵;P为节点声压矩阵.

2.2 消声器的声场分析

用ANSYS对图2所示抗性消声器进行声场分析,其分析过程包括3个主要步骤:

(1)前处理,即有限元建模.利用ANSYS前处理程序PREP7,经过单元类型选择、材料参数确定、几何建模、单元生成等一系列步骤,建立该轴对称抗性消声器声场分析的有限元模型.

图2 抗性消声器结构模型

在单元选择上,对于结构单元,采用平面PLANE42单元;对于声学单元,在仅有流体存在的空间采用FLUID29的structurepresent类型.由于声波是向无穷远处传播,所以采用FLUID129单元建立声波的环形边界.圆环半径的大小为

Dr=+0.2K

2

2.1 ANSYS中插值函数的选取

ANSYS软件具有较强的声学分析能力,主要体现在对结构和结构内的流体建模时,可以对不同频率处的声场进行计算和分析.ANSYS声场分析主要涉及声学单元FLUID29、FLUID30和FLUID129、FLU-ID130,其中FLUID29和FLUID30分别应用于模型

(10)

第1期别小静等:基于ANSYS的复杂结构抗性消声器性能分析

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式中,r)圆的半径;D)消声器的总长;K)波长,cK=;f)圆频率.

f对于材料的特性参数:¹结构单元:物质密度Q为7600kg/m3,物质的弹性模量E为21@1011Pa;º声学单元:流体密度Q为1.22kg/m3,流体声速v为1460m/s,并设定基准声压值为1@10

-5

解.定义分析类型为谐波响应分析,然后在消声器入口处加载入口声压值为1Pa,并固定结构单元的自由度,最后定义频率范围为0~3000Hz,激活有限元单元求解器进行求解.

(3)结果后处理.利用通用后处理器Generalpost-process可得到该消声器相应的输出量,包括消声器内部各节点的声压、声压值等.

对抗性消声器进行声场分析后,得到声压级分布图如图3所示.

Pa.

(2)加载和求解.利用ANSYS的求解程序/Solu-tion0下的/CurrentLS0,经过定义分析类型和选择项、约束与加载、定义载荷步及激活有限元单元求解器求

图3 抗性消声器节点的声压级分布图

根据式(7)可求得该消声器的传递损失.将计算分析的结果与实验结果比较,如图4所示.

从图4中可看出:该并联内插管双室扩张式消声器在500Hz处有最大的消声量;在中低频率上也有一定的消声量,但在高频上几乎不降噪.计算结果与实验值有差异,但大的趋势还是一致的,表明用ANSYS有

限元软件进行消声器的声场分析是可行的,能够应用到具体的消声器分析中.从图4中还可看出:该消声器的ANSYS分析结果比实验更加精确.这主要是由于试验时声传播具有一定的能量损耗,而且测量时的模型无论从结构上还是从制造上都难以保证绝对的轴对称.

3 结 语

ANSYS作为强大的有限元分析软件,可以方便

图4 装上并联内插管双室扩张式消声器前后

的频谱曲线比较图

地实现对不同结构形式的消声器的声学及流体性能进

(下转第页)

##

中原工学院学报2009年 第20卷

TheAnalysisbetweenHenanEconomicDevelopment

andEnergySavingandWasteReduction

WEIYing-mei1,2

(1.ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007;

2.ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China)

Abstract: Theconflictproblemsareanalysebetweeneconomicdevelopmentandenergysaving,emissionreductionbyusingthecorrelationcoefficient.BasedontheactualeconomicofHenanProvince,developingtrendandcoucreteoperationsaregiventosaveenergyandreducewaste.

Keywords: energysavingandwastereduction;economicdevelopment;analysisofthecorrelationcoeff-icient;coordinateddevelopment

(上接第47页)

行仿真分析.最后比较试验数据与分析结果表明,在考虑误差的情况下,分析计算结果与实际试验有很好的拟合,证明了用有限元分析软件ANSYS分析消声器的可行性,且结果较精确,在设计消声器时,可以利用

此软件进行模拟分析,根据分析结果可以对消声器的设计提供有意义的建议,同时通过仿真可以快速方便地观察设计的效果,减少产品开发成本和时间.

参考文献:

[1] 王耀前,陆森林.ANSYS在抗性消声器分析中的应用[J].江苏大学学报,2003,24(3):53-56.[2] 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社,2005.[3] 杜功焕.声学基础[M].上海:上海科学技术出版社,1981.

[4] NishimuraSohei,NishimuraTsuyoshi,YanoTakashi.AcousticAnalysisofEllipticalMufflerChamberHavingaPerforated

Pipe[J].JournalofSoundandVibration,2006,297(35):761-773.

[5] RenatoBarbieri,NilsonBarbieri.FiniteElementAcousticSimulationBasedShapeOptimizationofAMuffler[J].AppliedA-coustics,2006,67(4):346-357.

SimulationandAnalysisofReactiveMufflerBasedonANSYSSoftware

BIEXiao-jing,ZHUCong-yun,LILi

(ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

Abstract: FiniteelementanalysissoftwareANSYSisappliedtosoundfieldandfluidofmuffler.Analgsisofsoundfieldandfluidcalculationiscarriedoutbyloading,calculatingandafter-tredting.Constrastingtheorywithexperiments,theresultsshowthat:thetheorycalculationisright.Soitprovidesafoundationforanalys-isingsimilarquestions.

Keywords: muffler;finiteelement;pressuredistribution