Главная Использование Моделирование акустических волн в ansys flow. ANSYS. Продолжение введения.Meshing. Приложения для моделирования: упрощение рабочего процесса и взаимодействия с коллегами и клиентами

Моделирование акустических волн в ansys flow. ANSYS. Продолжение введения.Meshing. Приложения для моделирования: упрощение рабочего процесса и взаимодействия с коллегами и клиентами

Численное моделирование звукового удара в программном комплексе ANSYS CFX

К.т.н., ведущий научный сотрудник ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.

К.т.н., начальник отдела ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.

В статье исследуется методика расчета звукового удара на местности, индуцированного сверхзвуковым пассажирским самолетом. Выполнено сравнение результатов, полученных с применением программного комплекса ANSYS CFX, с экспериментальными данными. Для оперативного использования промышленного кода ANSYS CFX был разработан макрос, органично включенный в программный интерфейс, что позволило значительно упростить процедуру расчета звукового удара.

Одной из основных задач, которую приходится решать проектировщикам самолетов сверхзвуковой пассажирской авиации, — это минимизация интенсивности волны звукового удара, неизбежно сопровождающей сверхзвуковой полет. Основой для проектирования сверхзвукового летательного аппарата с пониженной интенсивностью звукового удара является прямой расчет эпюры звуковой волны на местности при заданном режиме полета (высота, скорость) и геометрических параметрах самолета.

Методика расчета звукового удара включает решение двух задач: задачи определения ближнего поля около компоновки самолета и задачи распространения звуковой волны в атмосфере до поверхности Земли. Для решения задачи обтекания представляет интерес рассмотрение возможности использования наиболее точных уравнений, которые снимают какие-либо ограничения на форму обтекаемого тела, режимы течения (отрывные или дозвуковые зоны) и позволяют моделировать работу реального двигателя. Основной целью данной работы является разработка методики расчета звукового удара на основе решения осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса. В качестве системы, реализующей решение осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье — Стокса, использовался программный комплекс ANSYS CFX (лицензионное соглашение ЦАГИ № 501024), который был адаптирован к расчету звукового удара и апробирован на тестовых примерах .

Современные программные комплексы, базирующиеся на принципах параллельных вычислений уравнений Навье — Стокса, имеют комплексную модульную структуру и помимо основного решающего модуля включают целый ряд программных средств, позволяющих эффективно выполнять вычислительные эксперименты по обтеканию тела сложной конфигурации потоком газа или жидкости. Основные принципы работы современных программных комплексов вычислительной гидродинамики, таких как ANSYS CFX и ANSYS Fluent, показаны на рис. 1.

летательного аппарата

При расчете звукового удара, то есть при определении возмущений на поверхности Земли, создаваемых пролетающим со сверхзвуковой скоростью летательным аппаратом, трехмерное поле течения может быть разделено на две зоны:

зона 1 с характерным размером r порядка длины тела L (r~L) ;
зона 2 с характерным размером порядка R высоты полета H (R~Н) .

Обычно Н>>L (например, если высота равна 15 000 м, а длина самолета 50 м, то Н/L =300).

В описанной постановке надо решить две задачи: одна из них формирует начальные данные в трехмерном течении, а вторая рассчитывает распространение возмущения от тела до поверхности Земли.

На первом этапе необходимо рассчитать обтекание компоновки самолета и найти параметры потока вокруг нее (рис. 2). Поверхность S1 является границей возмущенного и невозмущенного потока (конус Маха), плоскость S2 , параллельная скорости набегающего потока, находится под телом, но не касается его. Плоскости S3 и S4 определяются огибающими обратных конусов Маха, исходящих из отрезка АB .

Специально для программного комплекса ANSYS CFX был разработан макрос (рис. 3), который на основе методики позволяет рассчитать эпюру звукового удара на местности по данным расчета ближнего поля. Макрос был интегрирован в постпроцессор CFX-Post.

в среде ANSYS CFX

После того как решена задача обтекания компоновки летательного аппарата, для расчета интенсивности звукового удара прежде всего необходимо в постпроцессоре CFX создать плоскость, параллельную набегающему потоку, которая будет располагаться под летательным аппаратом в непосредственной близости от него, но его не касаться (рис. 4). Эта плоскость на рис. 2 соответствует плоскости S2 . Применение данного метода определения звукового удара на местности требует точного расчета распределения давления в плоскости S2 . Это предъявляет высокие требования к качеству расчетной сетки. При ее подготовке необходимо применять локальное измельчение в области между летательным аппаратом (ЛА) и плоскостью S2 .

Для работы макроса необходимо задать следующие параметры:

Inlet Region — граничная поверхность, через которую поток входит в расчетную область;
Zhilin Plane — плоскость S2 ;
Symmetry — параметр, определяющий, используется полная модель (full) или ее симметричная половина (half);
Flight altitude — высота полета ЛА;
Body length — характерная длина ЛА;
X steps number — число шагов вдоль продольной оси;
Altitude steps number — число шагов по высоте.

Два последних параметра определяют степень дискретизации пространства. Установленные по умолчанию значения (500 и 2000 соответственно) позволяют получить решение с достаточно высокой степенью точности. Увеличение числа шагов вдоль продольной оси требует больших затрат оперативной памяти и может привести к сбоям в работе программы.

Рис. 5. Самолет Ту-144: а — вид сзади; б —линии тока
на поверхности расчетной модели и форма струй сопла

Аспирантом МФТИ Чо Кю Чулом был выполнен комплекс тестовых расчетов для самолета Ty-144 (рис. 5а ). Расчеты были сделаны с помощью программного комплекса CFX и разработанного макроса. При моделировании силовой установки Ту-144 необходимо учитывать также влияние струй двигателей на поле возмущения плоскости S2 и эпюру звукового удара. На рис. 6а показаны форма и положение силовой установки, использованные в данной работе. Направление и угол раствора сопла показаны на рис. 6б . Направление струи θcd изменяется с углом атаки, а угол сопла (θc) предполагается равным оптимальному значению — 10 .

а — схема истечения струи; б — сопло

Рис. 7. Влияние струи двигателя на эпюру звукового удара самолета Ту-144: а — эпюра избыточного давления в N-образной волне, б — второй пик в эксперименте

Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 7. Учет струй двигателя создает второй пик в эпюре избыточного давления (рис. 7а ). В эксперименте эпюра избыточного давления звуковой волны самолета Ту-144 имеет также второй пик, более интенсивный (рис. 7б ), что может быть результатом влияния струй сопла, работающих при углах истечения потока из сопла, которые не были зафиксированы при проведении эксперимента. Рис. 5б иллюстрирует характер обтекания самолета Ту-144 с работающими двигателями при расчетных параметрах истечения струи.

Созданный макрос, применимый для любой версии ANSYS CFX и органично включенный в алгоритм этого промышленного кода, который был взят в качестве инструмента определения ближнего поля по уравнениям Навье — Стокса, позволил разработать эффективную процедуру расчета звукового удара на местности.

Литература

Жилин Ю.Л., Коваленко В.В. О связывании ближнего и дальнего полей в задаче о звуковом ударе // Ученые записки ЦАГИ, т. ХХIX. 1998. № 3 и 4. C. 111-122.
Menter F.R., Galpin P.F., Esch T.,
Kuntz M., Berner C. CFD Simulations of Aerodynamic Flows with a Pressure-Based Method // Paper ICAS 2004-2.4.1. Japan, Yokohama, 2004. 11 p.
Вождаев В.В., Коваленко В.В., Теперин Л.Л., Чернышев С.Л. Методика определения интенсивности звукового удара на местности при исследовании компоновки сверхзвукового пассажирского самолета // Полет. 2013. № 10. C. 17-27.
Завершнев Ю.А., Роднов А.В. Летные испытания сверхзвуковых пассажирских самолетов первого поколения по звуковому удару // Международная научно-техническая конференция «Новые рубежи авиационной науки» ASTEC’07, Москва, 19-22 августа 2007 г.

Теперь приведу краткий обзор основных модулей и приложений, используемых в ANSYS Workbench для подготовки и проведения численного анализа.

Engeneering Data – интерфейс для управления базой данных физических

и механических свойств материалов, а также входных параметров математических

моделей.

Design Modeler (пункт Geometry в разделе Component Systems) – приложение для создания геометрических 2D/3D-моделей. Также модуль может работать с импортированной из сторонних CAD-комплексов геометрией: позволяет исправлять дефекты в геометрии, изменять или упрощать геометрическую модель.

Meshing (пункт Mesh в разделе Component Systems) – многофункциональный сеточный препроцессор, который позволяет генерировать высококачественные расчетные сетки в автоматическом режиме для различных типов инженерного анализа. Модуль предоставляет широкий набор инструментов для построения расчетных сеток на основе треугольных и четырехугольных элементов для 2D-моделей и на основе тетраэдров, гексаэдров или пирамидальных элементов для 3D-моделей. В программе заложены алгоритмы для построения структурированных и неструктурированных расчетных сеток, а также возможности качественного разрешения расчетной сетки вблизи твердых стенок и других особенностей моделей, что особенно важно для гидродинамического анализа.

А теперь о том, чем же мы считаем все наши задачки и какой модуль выбрать. В первой статье я не знал насколько хорошо пойдет эта тема, поэтому пробежался по модулям в двух словах. Сейчас рассмотрю подробнее.

Static Structural предназначен для решения задач механики деформируемого твердого тела в статической постановке. При использовании командных вставок на языке APDL функционал модуля может быть расширен для решения, например, связанных задач (термоупругость, пороупругость, электроупругость и т. д.).

Transient Structural – модуль для решения задач динамики конструкций. Основан на неявных схемах интегрирования уравнений движения. Explicit Dynamics/AUTODYN/LS-DYNA – модули, основанные на явных решателях для расчета задач динамики конструкций и моделирования быстропротекающих нелинейных процессов: высокоскоростных ударов, пробитий, фрагментации, разрушения и т. д.

Rigid Dynamics предназначен для моделирования динамики подвижных систем, механизмов. Кинематика механизма описывается путем задания систем координат, связанных с деталями, и выбора параметров, которые однозначно определяют взаимное положение деталей и конфигурацию всего механизма. Перемещения тел

описываются уравнениями движения в форме Кейна, что обеспечивает высокую точность и скорость решения задачи.

Steady-State Thermal/Transient Thermal – анализ установившегося/нестационарного

теплового поля на основе решения уравнения стационарной/нестацио-

нарной теплопроводности.

Fluid Flow (CFX) предназначен для решения задач гидродинамики, а также задач сопряженного теплообмена. Позволяет моделировать широкий спектр физических процессов в жидкостях и газах, таких как нестационарность, турбулентность, многокомпонентность и многофазность среды, химические реакции, радиационное излучение, акустические волны и т. д. Хорошо зарекомендовал себя в задачах турбомашиностроения, где необходимо моделирование течений жидкостей и газов в условиях вращающихся механизмов.

Fluid Flow (Fluent) имеет аналогичный модулю CFX функционал, однако содержит более широкий спектр моделей и методов для моделирования течений с химическими реакциями. Также обладает встроенным редактором расчетных сеток.

Electric – моделирование электрических полей постоянного тока в проводниках.

Thermal-Electric – стационарный электротермический анализ, позволяющий исследовать процессы тепловыделения при прохождении электрического тока по проводнику, а также процессы теплопереноса в твердых телах.

Modal – модальный анализ, расчет собственных частот и форм колебаний.

Harmonic Response – гармонический анализ для определения отклика конструкции на действие гармонических нагрузок. Позволяет оценить негативные последствия вынужденных колебаний – резонанса, усталости и т. д. Рассчитываются только установившиеся моды колебаний в определенном диапазоне частот.

Response Spectrum – анализ отклика конструкции на действие динамических нагрузок, заданных акселерограммой. С помощью линейно-спектрального метода определяются максимальные ответные ускорения одномассовой колебательной системы. Используется для расчета сейсмостойкости сооружений.

Random Vibration – анализ отклика конструкции на действие случайных вибрационных

нагрузок. Прикладываемая нагрузка задается с помощью вероятностных величин.

Этапы решения задач в Workbench можно описать следующей схемой.

То есть сначала создаем геометрию в Design Modeler или SpaceClaim Direct Modeler или же импортируем из других приложений. Кстати, насчет импортирования свойств материала детали, если его нет в библиотеке ANSYS, это доступно только в Inventor. Для этого нужно поставить галочку.

Так же модель можно создать математически описав ее языком APDL.

При импорте, помимо свойств материала можно много чего импортировать. Помимо понятных колонок в Basic Geometry Option есть Advanced Geometry Options. Там можно выбрать тип анализа (2D или 3D), ассоциативность (для передачи свойств материалов, граничных условий и нагрузок на модель, заданных в сторонней CAD-системе), импорт системы координат, SmartCADUpdate (опция предполагает, что если в CAD были изменены некоторые части сборки, то в Design Modeler при повторном импорте осуществляется обновление только измененных частей).

Потом мы строим сетку конечных элементов. Это может быть выполнено с помощью модулей Meshing и ICEM CFD. После того как ANSYS поглотил маленькую конторку, занимавшуюся разработкой алгоритмов сеток ICEM, ее перестали развивать, а алгоритмы постепенно перекочевывают в родной сеточник ANSYS.

Далее в зависимости от типа анализа, который предполагается использовать в работе, производится описание математической модели и подбирается необходимый расчетный модуль. Например, для расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции под действием статических нагрузок следует использовать модуль Static Structural. На данном этапе необходимо задать свойства материалов, граничные и начальные условия задачи, выбрать методы расчета, настроить решатель в соответствии с принятой физико-математической моделью и задать требуемую точность расчета.

Процесс расчета является полностью автоматизированным, однако рекомендуется осуществлять контроль над процессом решения: следить за поведением решения и его соответствием критериям сходимости, выводить на экран дополнительные параметры, позволяющие оценить необходимые количественные характеристики решения, и т. д.

После завершения расчета необходимо проанализировать полученные результаты и, если есть возможность, сравнить их с имеющимися экспериментальными данными. Также следует помнить, что полученное решение не должно зависеть от размера сеточных элементов, что обычно достигается проведением серии расчетов

на сетках различной плотности.

После того как мы вытащили в рабочую область WorkBench нужную нам систему и загрузили модель жмем дважды на клетку Model, что бы открылся Mechanical.

Разберемся с его интерфейсом.

Сверху вполне привычные выпадающие менюшки. Чуть ниже тулбар. Слева древо анализа. Ниже него - detail view, окно в котором отображаются все параметры выделенного в древе элемента, будь то контакт, усилие или сетка. Графическое окно по центру. Там отображается все, что вы выбираете в древе. Выбрали сетку - отображается сетка, выбрали конечный результат - получите. И справа - подсказки для начинающих, то есть выбираем анализ и по подсказкам проводим анализ. Выполненный пункт отображается зеленой галочкой, тот, что требует внимания или данных - зеленым кружочком с i, то,что нужно решить - молнией в желтом.

Сверху в названии окна отображается тип анализа, через тире - название приложения и в квадратных скобках тип лицензии.

Пройдемся по выпадающим меню.

В меню Edit содержатся операции, вызываемые через контекстное меню объектов: удалить (Delete), копировать (Copy), вырезать (Cut), вставить (Paste), дублировать (Duplicate), которая объединяет в себе команды «копировать» и «вставить». Также вкладка содержит команду Select All, позволяющую в один клик выделить все объекты в графическом окне, и команду Find In Tree, позволяющую осуществлять текстовый поиск по меню Outline;

В меню View есть отдельные группы, отделенные линиями.Верхняя это control basic graphics - затенение граней, сеточное представление и прочее.

Чуть ниже в graphical options - закрашивание граней и отображение балок.

Меню Units включает в себя список доступных метрических систем, по умолчанию всегда выбрана система СИ;

Меню Tools включает три основные команды: Addins (запускает менеджер Add-in, который позволяет загружать/выгружать пользовательские подпрограммы, предназначенные для расширения стандартного функционала Meshing), Options (осуществляет доступ к общим настройкам препроцессора Meshing, включая настройки процесса распараллеливания при построении сетки и значения по умолчанию для глобальных параметров сетки) и Variable Manager (запускает менеджер управления переменными в приложении);

Ну help стандартно содержит справочные материалы.

Теперь, ожидаемо, пройдемся по тулбару.

Теперь рассмотрим древо проекта.

В нем отображаются компоненты, соответствующие этапам пред-

процессорной подготовки модели. Их можно разделить на две группы: основные – появляются в дереве по умолчанию при открытии любого проекта, и опциональные – появляются в дереве только для определенных типов геометрической модели или при использовании определенных инструментов в ходе построения сеточной модели.

И так, компоненты древа:

Геометрия (Geometry), основной: включает список тел геометрической модели, которая передается из геометрического препроцессора. При выделении заголовка компонента Geometry в окне свойств (Details) ниже древа отображаются глобальные неизменяемые характеристики геометрии. При выделении одного или нескольких тел из списка в окне Details отображаются настройки (выбор системы координат, материала и т. д.) и свойства этих конкретных тел (геометрические размеры, статистика). Таким образом, если физическая постановка задачи подразумевает наличие в геометрической модели нескольких тел с различными характеристиками, то для каждого такого тела могут быть заданы собственные характеристики. При наличии в геометрической модели нескольких независимых тел или их групп в дереве проекта появляется дополнительный компонент Connections, который позволяет настроить соединения между поверхностями (с трением, без трения и т.д.).
Системы координат (Coordinate Systems), основной: включает список всех систем координат (глобальную и локальные), используемых в проекте. Используя контекстное меню данного компонента, можно добавить в проект новую систему координат (Insert -Coordinate System) или удалить/скрыть/скопировать уже существующую.
Сетка (Mesh), основной: содержит список всех операций и инструментов, применяемых для построения расчетной сетки. В свойствах данного компонента отображены глобальные настройки сетки, а через контекстное меню компонента доступен ряд инструментов для задания локальных настроек сетки
Именованные наборы (Named Selection), опциональный: в сеточнике Meshing, помимо возможности построения непосредственно расчетных сеток, существует возможность присвоения имен отдельным элементам модели для последующего определения граничных условий.

Для проведения полноценного расчета нужна сетка. Сетка не просто рандомная, как при конвертации в STL, а настраиваемая. Она подразделяется на конформную (упорядоченную) и неконформную (рандомную).

Под конформностью, то есть согласованностью, понимают такую сетку, в которой элементы удовлетворяют условию: если два элемента сетки пересекаются, то область их пересечения представляет собой их общую грань (или ребро).

Картинка для понимания упорядочивания сетки.

Теперь относительно формы элемента сетки.

Для сеток на поверхностях выделяют 2 типа элементов - это треугольники и четырехугольники.

Для объемных геометрий выделяют ячейки на основе гексаэдров, тетраэдров, призм и пирамид.

Расчетные сетки могут быть гибридными и включать одновременно элементы различных типов.

Для правильной оценки расчета нужна конформная сетка, то есть нужно упорядочить ее так, что бы в местах, где у нас происходят перемещения,деформации сетка была мельче и правильно ориентирована. Для построения сетки на 2D-поверхностях реализованы 3 метода:

1. Quadrilateral Dominant, то есть преобладание четырехугольников. Вся сетка строится преимущественно с помощью четырехугольников. Форма элементов определяется настройкой Free Face Mesh Type, которая имеет два режима. При выборе режима All Quad сеточный препроцессор

принудительно разбивает область на четырехугольные элементы независимо от качества отдельных элементов. При выборе режима Quad/Tri препроцессор строит сетку из четырехугольных элементов, однако в сложных областях, где возможно использование лишь четырехугольных элементов с низким качеством, такие элементы заменяются на элементы треугольной формы с более высоким качеством.

2. Метод Triangle Meshing позволяет разбивать область неструктурированой сеткой с элементами треугольной формы.

3. Метод MultiZone Quad/Tri, в отличие от двух предыдущих, основан на

блочной технологии и позволяет проводить автоматическую декомпозицию сложной геометрии на отдельные блоки с последующим построением на каждом блоке структурированной (там, где это возможно) или неструктурированной сетки в зависимости от выбранных настроек метода. Форма элементов сеток для блоков определяется настройкой Free Face Mesh Type с тремя режимами: All Quad, Quad/Tri и All Tri (аналог метода Triangle Meshing).

Чтобы увидеть различие между метода MultiZone Quad/Tri от методов Quadrilateral Dominant и Triangle Meshing рассмотрим все ту же окружность. В одном случае с Quadrilateral Dominant получим такую картину.

И мы получаем неструктурированную сетку для всей области. Если воспользуемся методом MultiZone Quad/Tri получим структурированную сетку и в процессе построения будет произведена автоматическая декомпозиция геометрии на характерные блоки, что позволяет построить структурированную сетку из прямоугольных элементов для части 1 и оставить неструктурированную сетку для части 2.

Получилось немного сумбурно и многабукав. Кто осилил, тот молодец. Трехмерные меши рассмотрим в следующей статье.

А что бы было понятно, что меши и качество его влияют на итоговый расчет, вот пример плохо и хорошо построенной сетки.

Анализ акустики в ANSYS Mechanical 15.0

Сергей Хрулев
Инженер технической поддержки, ГК «ПЛМ Урал» - «Делкам-Урал»

На протяжении более чем 40 лет компания ANSYS, Inc. развивает линейку своих продуктов для инженерных расчетов и регулярно, прислушиваясь к нуждам и пожеланиям пользователей, выпускает обновленные версии. Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал» продолжает информировать читателей журнала о нововведениях версии инженерного программного обеспечения ANSYS 15.0. В данной публикации речь пойдет о программных продуктах для решения акустических и виброакустических задач.

Моделирование акустики

В версии 15.0 ANSYS позволяет исследовать происхождение, распространение, испускание, поглощение и отражение волн звукового давления в акустичес-кой среде. Акустика в ANSYS Mechanical — это полная библиотека акустических конечных элементов, большой набор акус-тических свойств материалов, сопряженное конструкционно-акустическое взаимодействие для решения задач виброакус-тики, высокая производительность решения, приложения для лицензии ANSYS Multiphysics. Анализ акустики прежде был доступен только в Mechanical APDL («классическом» ANSYS), но с появлением модуля ACT (Application Customization Toolkit) теперь реализован и в ANSYS Workbench.

С помощью акустических возможностей пакета можно решать множество актуальных задач, таких как: устранение шума в автомобилях; минимизация шума в производственных машинах; акустика зданий и сооружений; проектирование слуховых аппаратов; исследование гидроакустики; разработка сонаров, динамиков, акустических фильтров, глушителей и других подобных устройств; геофизическая разведка; аэроакус-тика. Все эти задачи решаются как в плоской, так и в объемной постановке с помощью модулей Modal, Harmonic и Transient (временна я и частотная области), а также полного или одностороннего сопряжения расчетов для решения виброакустических задач.

В модальном анализе определяются собственные частоты и формы колебаний. Есть возможность задать импеданс и конструкционные взаимодействия в качестве граничных условий. Используются такие решатели, как методы Ланцоша, подпространств, демпфированный и несимметричной матрицы (Block Lanczos, Subspace, Damped и Unsymmetric).

В гармоническом анализе вычисляется отклик системы как функция, зависящая от частоты возбуждения, основанная на объемной скорости потока или возбуждающем давлении. Отклик системы во временно й области определяется в нестационарном анализе (Transient).

Workbench также обладает средствами для передачи электромагнитных сил из модуля Maxwell в Mechanical. Это полезно при проектировании конструкций, в которых механические вибрации, возбуждаемые электромагнитными силами, являются источниками значительного шума.

Виброакустика

Виброакустические задачи подразумевают оценку влияния на конструкцию как шумовых, так и вибрационных воздействий. Версия ANSYS 15.0 предлагает для виброакустического анализа полное (полезно для решения задач гидроакустики) или одностороннее сопряжение двух видов расчета.

Одностороннее сопряжение более эффективно для акустических расчетов конструкции до тех пор, пока акустическим воздействием на нее можно пренебречь. Результаты конструкционного расчета в этом случае прикладываются как акустическое возбуждение. Конструкционный (разложением по собственным формам или полный) и акустический анализы представлены в двух различных модулях гармонического анализа. Виброскорости узлов модели передаются в гармонический акустический анализ с помощью звена на схеме проекта. Кроме того, данные можно передать извне с помощью External Data или файлов в формате ASI, которые, в отличие от предыдущих связей, поддерживают конформную сетку .

При полном сопряжении конструкционные и акустические уравнения можно решить с помощью метода несимметричной или симметричной матрицы — последний более эффективен. Полностью сопряженный вибро-акустический анализ включает также взаимодействие с пьезо-электрическими элементами, что, в свою очередь, позволяет решать множество тесно связанных задач вплоть до проектирования датчиков и громкоговорителей.

Нагрузки и граничные условия

При решении виброакустических задач задаются соответствующие нагрузки и граничные условия.
В первую очередь это источники звукового давления, в качестве которых можно задать плоскую волну (ее фронт имеет форму плоскости), монополь , диполь и т.д.

Кроме того, можно задать скорость распространения волны (в том числе и как функцию, зависящую от частоты), массовый источник в волновом уравнении (запускает волны давления во всех направлениях), импеданс и коэффициент поглощения (оба в том числе и как функции от частоты).

Рассеяние звука

Акустика изучает рассеяние как процесс: звуковые волны рассеиваются твердыми объектами или при распространении через неоднородное пространство (например, звуковые волны в морской воде, идущие от подводной лодки).

на конструкцию с рассеиванием

Модель акустической задачи обычно представляет собой конструкцию, погруженную в бесконечную однородную идеальную среду. В МКЭ для сокращения затрат ресурсов компьютера и инженерного времени необходимо уменьшать рассматриваемую область. Условия поглощения волн дают нам возможность смоделировать меньшую часть области и предполагают, что выходящие волны распространяются наружу без отражения. Существует три типа условий поглощения волн:

Perfectly Matched Layers Conditions (условия хорошо подобранных слоев) — это слои поглощающих волны давления конечных элементов, разработанные для усечения сетки открытого КЭ домена в гармоническом анализе. Данный способ неприменим в модальном и нестационарном анализах;

Radiation Boundary (излучающая граница) — ограничения соотношения давления и скорости испускания волн, коэффициента поглощения;

Infinite Fluid Elements (полубесконечная среда) — задание поглощающих элементов второго порядка (например, FLUID130 или FLUID129) на границе моделируемой части среды.

Обработка результатов

Полученные при расчете результаты могут относиться не только к ближнему полю (сетка КЭ), но и к дальнему. Обработка результатов в дальнем поле позволяет выбрать точку на расстоянии, вне сетки, для построения графиков.

После решения акустической задачи может возникнуть необходимость вычисления некоторых параметров акустического распространения для системы. Например, потребляемая мощность (Input power) и мощность на выходе (Output power), возвратные потери (Return loss), коэффициент затухания и потери при передаче.

Производительность решения гармонического анализа

Существуют два метода решения гармонического анализа. Один из них — полный метод — производит решение матричного уравнения на каждой частоте. Второй — VT (Variational Technology) — альтернативный метод решения, который основан на гармоническом алгоритме развертки полного метода и осуществляет матричное разложение на частотах дискретизации и выполнение быстрой развертки по частотам. VT-метод не поддерживает частотно-зависимые материалы/нагрузки, симметричный сопряженный алгоритм, перфорированные материалы (то есть содержащие пустоты или учитывающие их), одно- и двустороннее сопряжение (виброакустика).

давления на частоте 700 Гц

Примеры применения

Одними из самых ярких примеров конструкций, требующих акустического анализа, являются товары народного потреб-ления, такие как динамики и глушители.

Полный сопряженный акустический анализ также играет важную роль в проектировании четвертьволнового резонатора. Чтобы уменьшить уровень звукового давления, его панели собираются из труб различного диаметра и длины. Поглощение звукового давления на определенных частотах панелью резонатора также происходит и за счет внутреннего вязкого трения.

отражающий глушитель

Заключение

Группа компаний «ПЛМ Урал» — «Делкам-Урал» является авторизованным представителем компании ANSYS, Inc. на территории России и СНГ уже более 20 лет и занимается консалтингом, инжинирингом, внедрением программного обеспечения, техподдержкой и обучением. Наша компания обладает штатом высококвалифицированных, сертифицированных у разработчика технических специалистов с многолетним опытом выполнения различных расчетов. Мы хотим, чтобы публикации были интересны читателям, поэтому предлагаем вам поучаствовать в выборе наиболее актуальных тем для обсуждения на страницах журнала. Ждем ваших пожеланий на наших сайтах (www.cae-club.ru,
www.cae-expert.ru)! Также на наших ресурсах вы сможете найти для себя много полезного и интересного!

резонатор

1 Акустический импеданс — отношение комплексной амплитуды звукового давления к объемной колебательной скорости (под последней понимается произведение усредненной по площади нормальной составляющей колебательной скорости на площадь, для которой определяется акустический импеданс).

2 Конформная сетка конечных элементов — та, в которой контактирующие поверхности обладают общими узлами.

3 Монополь — идеальный излучатель, создающий сферически-симметричную, расходящуюся волну;

4 Диполь — два монополя с одинаковыми по модулю и противоположными по направлению объемными скоростями, расположенные на малом по сравнению с длиной волны расстоянии;

5 Рассеяние — это общий физичес-кий процесс, при котором некоторые виды излучения, такие как свет, звук или движущиеся частицы, вынуждены отклониться от прямой траектории из-за одной или нескольких локализованных неоднородностей в среде.