家用割草機殼體的外輻射聲場分析

戴 林

南京農業大學，江蘇南京 210095

家用割草機殼體的外輻射聲場分析

戴 林

南京農業大學，江蘇南京 210095

有限元方法是現代工程結構設計分析中一種快捷、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分析，得到其結構外部聲場特性，包括殼體的模態和振型等。在此基礎上，利用聲模態理論對殼體外聲場壓分布進行了分析討論，為工程結構的減震降噪設計提供了可靠的數據。

有限元；工程結構；殼體；模態分析；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，歐共體官方公報發布了成員國有關戶外使用的設備環境噪聲的法規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定。規定自2006年1月3日起，草坪割草機A 計權聲功率級不得大于94dB，比現行標準低2dB[1]。這對我國出口歐洲的割草機提出更高要求。我國企業生產的家用電動草坪割草機要繼續銷往歐洲市場，就必須達到新的標準。

1.2 有限元法技術概況

有限單元法第一個工程上成功的嘗試是對于飛機結構的分析，20世紀50年代，波音公司的一個技術小組，首先將連續體的機翼離散為三角形板塊的集合來進行應力分析，經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，確認了有限元法是處理連續介質問題的一種普遍方法，擴大了有限元方法的應用范圍[3]。

1.3 有限元法在工程結構外輻射聲場分析方面的研究概況

為了在當前激烈的市場競爭和巨大的內外環境壓力下，提高企業的應變能力和競爭能力，外國研究人員提出了一種研究方法以 CAD/CAE 為基礎的模擬分析計算方法。隨著計算機技術的快速發展，CAD/CAE 技術在各設計部門起著越來越重要的作用，有限元法作為 CAD/CAE 技術的一種，最初是在20世紀50年代作為處理固體力學問題的方法出現的。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軟件是融結構、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，它能與多數CAD軟件接口實現數據的共享和交換。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結構、流體、電力、電磁場以及碰撞等問題。因此它可以應用于以下工業領域：航天航空、汽車工業、生物醫學、橋梁、建筑、電子產品、重型機械、微機電子系統、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絡劃分工具，用戶可以方便的構造有限元模型；分析計算模塊包括結構分析（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的相互作用，具有靈敏度分析和優化分析能力；后處理模塊可將計算結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（可看到結構內部）等圖形方式顯示出來，也可以將計算結果以圖表、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。割草機結構由許多自由曲面和有許多小結構構成，在不對結果產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性能與其實際結構力學性能之間存在誤差，并對以后的聲模態分析結果造成影響。要將此誤差控制在精度許可范圍內，必須在簡化時認真分析其特點功能，以便進行適當處理。因此，簡化模型時要根據CAE分析的目的，分析各零件幾何特征，據其對研究結果的影響程度大小進行取舍，盡量去掉對研究結果影響較小的幾何特征。以使所建模型既能保證分析精度、又能控制計算規模，做到精度與效率兼顧。根據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，以及對力學結構影響較小的沖壓筋、孔和一些工藝結構等。

2.3 割草機殼體參數設置和網格劃分

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劃分網格。電機用集中質量單元mass21代替。根據給出的參數，定義單元類型，定義單元實常數，定義外殼材料參數。在完成文件工作名后，設置第一類單元類型為“Structural shell”和elastic4node63，然后設置第二類單元類型為Structural Mass和3Dmass21。定義單元實常數及材料屬性，定義第一類單元實常數為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，關鍵是操作者在使用各個量的單位時必須統一[5]。國際單位制是大多數人的選擇。如長度單位為米，質量單位為千克，物質的量單位為摩爾等。材料屬性設置為密度為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入與網格劃分等工作，設置“網格單元尺寸”為0.1m，對體進行自由劃分網格。

3 割草機殼體的模態分析

3.1 模態分析概況

割草機殼體是由車身壁板圍成的封閉空腔，聲學系統的振動模態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以下頻率是車身結構振動引起的殼體噪聲集中的頻率，在如此低的頻率范圍內，常規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動態特性分析。

3.2 模態分析步驟

3.2.1 建立模型

如前所述，根據給出的參數，定義單元類型，定義單元實常數，定義外殼材料參數。然后合理的劃分網格，得到需要多的單元和節點，生成割草機殼體的模型。生成質量塊單元，由于第二類單元類型表示電機質量，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。分析類型設置為modal（即模態分析）。

3.2.3 模態計算結果分析

進入計算，并計算出其前10階的模態頻率和模態振型。對割草機殼體進行模態分析，可以得到它固有的模態頻率和振型。再通過設置些參數即可查看各階計算出來的模態頻率和模態振型。模型中不同的顏色代表相對位移，據此可以看出，割草機聲學模型中是以位移變化為主要模態的殼體聲學模態。從各階模態振型中可以看出，由于割草機殼體的橫向對稱性，割草機上的各階模態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，因為要與空氣發生耦合，之前的模型產生的耦合界面過多，不易選取和計算，所以指導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。定義單元實常數及材料屬性，定義第一類單元實常數為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為0.3。定義割草機殼體材料屬性，設置為密度dens為0.9g/cm3，彈性模量ex為1.3GP，泊松比nuxy為0.38；定義空氣介質屬性，設置為密度dens為1.21，聲速SONC為344m/s。

4.2 劃分模型網格

將網格的大小定位40。選擇劃分的項選取Area，然后選取割草機的六個平面，劃分網格。再對半球進行劃分網格時，要選擇半球的單元類型，實數已經材料屬性。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，即可得出結論。

4.3 計算結果和分析

經ANSYS求解，則可得到聲壓最大值和最小值。

5 結論

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

在模態分析的基礎上，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構的固有頻率。

[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.有限元分析在結構分析和計算機仿真中的應用[J].重慶交通學院學報，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：華中科技大學機械工程學院，2005：25-30.

S817

A

1674-6708（2011）53-0070-02