基于ANSYS的抗性消声器性能仿真分析.pdf
收稿日期：!#$%$&(第!)卷(第*期计(算(机(仿(真!+年*月(文章编号：&+$,)*（!+）*$)+$#基于!#$#的抗性消声器性能仿真分析张乃龙，杨文通，费仁元（北京工业大学机电学院，北京，&!）摘要：运用有限元分析软件-./0/对内插管抗性消声器内部声场及流体进行了有限元分析。在讨论了管道声场流体运动方程的基础上，首先建立抗性消声器的流体有限元分析模型和声场有限元分析模型，以定性分析为目标，通过加载、求解以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，获得消声器内部不同频率下的声压及流体速度和压力分布情况。通过分析结果可以方便直观地获取消声器内插管中心偏移对消声器插入损失及流体流速和压力的影响，分析结果为消声器的优化设计提供可靠的依据。关键词：抗性消声器；声学仿真；流体动力学仿真；有限元中图分类号：12),&3%(文献标识码：-#%&()*%+,),-!,)(./%/+0 12)3*%42 500(26 7)/2-+,!#$#+0*8)6245-.6.78$9:;$?:;$DE7;（F8G8;JK8?D:L 1MN;:9:8G8;9P;?7;79DK8K K:L?Q7J-./0/8K 7RR98S?:7;79DT K:E;S L89S 7;S L9E8S:L PELL9J3-L?J?79U8;L9:Q M:;?8;E8?D WE7?8:;:L R8R K:E;S L89S，L8JK?9D?N J7M?8I PELL9J L9E8S L8;8?P:S97;S K:E;S L89S L8;8?P:S9 7J VE89?，?N;7M:EK?8M RJKKEJ 7;S L9E8S I9:M8?D 7;S L9E8S RJKKEJ S8K?J8VE?8:;:LJ7M?8I PELL9J E;SJ S8LLJ;?879 LJWE;MD 7J:V?78;S LJ:P 7 KJ8K:L K:E;S L89S 7;S L98ES 7;79DK8KRJ:MSEJ，KEMN 7K 9:7S8;，K:9I8;KK8;M?:;BX 7;S RJKKEJ M:E9S V 8;?E8?8I9D:V?78;S3B?RJ:I8SK 7 L:E;S7?8:;L:J:R?8P79 SK8 PELL9J3;1?#：C7M?8I PELL9J；-M:EK?8M K8PE97?8:;；5DSJ:SD;7P8M K8PE97?8:;；8;8?9P;?A引言抗性消声器主要利用声抗的大小来消声，通过各种不同形状的管道和腔室进行适当地组合，提供管道系统的阻抗失配，使声波产生反射或干涉现象，从而降低由消声器向外辐射的声能。抗性消声器的性能和管道结构形状有关，一般选择性较强，适用于窄带噪声和低、中频噪声的控制。由于其在低中频较好的降噪效果及其较小的压力损失在发动机及内燃机的排气消声处理中广泛使用。但是随着消声量的增加，其引起的压力损失相应增加，造成设备功率损耗增加。有效调整消声与压力损失的关系是在设计消声器时必须考虑的问题。本文利用有限元分析软件-./0/的声学分析模块对某型号的扩张式抗性消声器进行声学及流体动力学分析，以对其进行优化设计提供依据。BA声场流体理论基础在声场的流固耦合问题中，要把结构的动力方程与流体斯托克斯方程中的动量方程和连续性方程综合考虑。声学基本方程是在空气作为特殊流体条件下流体方程的简化。在不改变问题性质的前提下，作如下假设：&）流体是可压缩的，即密度随压力变化而变化。!）媒质为理想流体，即媒质不存在粘滞性，声波在其传播时没有能量的损耗，流体没有扰动和紊流。)）声传播是一个绝热过程。）媒质的静态压强 2和静态密度!都是常数。BC A数学模型的建立图&所示为轴对称抗性消声器。在!域的二维平面波动方程E!&#!$%!（&）其中#介质中声传播速度&#!#流体平均密度+)图!轴对称抗性消声器示意图!流体体积模量 声压（#（$，%，&，）时间E!拉普拉斯算符对于谐波设解为#()*（!）式中#压力幅)#+!#!,简谐振动的圆频率,#振动频率式（!）代入（）可得：!-!.E!#（$）令!#!-（称为波数），则式（$）可表示为：!.E!#（%）式（）以矩阵形式表示为-!#!#!+/0（/）#（&）式中：/0#$#%#&通过用迦辽金法对方程（&）离散化即得到单元矩阵，在方程（&）左右同时乘以一个声压变化值，然后在一定区域内对体积积分，)123-!$#!#!4（123）.)123（/0$）（/）4（123）#)560$（/）4（5）（）其中：123 为一定区域的体积$为一定的声压变化值5 为声压向量所指向的表面6界面 5 的单位法向量在声固耦合界面问题中，面被视为界面，由于简化假设，流体的动量方程中法向声压梯度与结构的法向加速度在界面处遵循以下规律：6 E#+%#6#!7#!（(）其中7为结构在界面处的位移向量，用矩阵形式表示，即为：60/#+%#60#!#!7()（)）把（)）式代入式（），积分变为：)123-!$#!#!4（123）.)123（/0$）（/）4（123）#)5%#$60#!#!7()4（5）（*）方程（*）中包含的变量有：声压，结构位移8，1，*。定义有限单元的近似形函数为：#90(（#）7#9:07(（）其中9为声压形函数9:为位移形函数(为节点声压向量7(#8(，1(，*(为节点位移向量由方程（#）和（），声压和位移的时间二阶导数及声压变化值可表示为：#!#!#90;（!）#!#!7#;7(（$）$#90$(（%）将式（#）代入方程（*），声波方程的有限元表达式则为：)123-!$(09 904（123）;(.)123（$(）004（123）(.)=%#$(09 609:04（5）;7#（&）其中：#/906为流体边界向量由$(.#，等式两边同时消去$(，并把非变量提出积分，得到：-!)1239 904（123）;(.)1230?(;(.?(.%#A(0;7#（(）其中：?(#-!)1239 904（123），为声场流体的质量矩阵；?(#)1230 4（123），为流体的刚度矩阵；%#A(0#%#)=9 609:04（5），为流固耦合界面的质量矩阵。#消声器的$%&分析用 B95C5 对两种抗性消声器进行声学及流体动力学分(#$析，观察内部结构变化对消声性能及其压力损失的影响。消声器结构如图!所示。图!抗性消声器结构模型#$%消声器的流体动力学分析运用#$%$软件对消声器内部气体流场进行有限元仿真分析，分析内部压力分布及流速变化情况，寻找对压损失影响较大的部位，为结构优化提供指导。#$%$的流场可以归纳为以下七个主要步骤：&）定义单元类型 对于本文的研究采用二维()*+&,&单元。!）建立流场的范围建立消声器内部的流场模型来约束气体的流动范围，并把出口端延长&-倍出口直径的长度，以模拟无穷远端的压力值。.）生成有限元网格采用映射网格划分模式对流场模型进行网格划分，这样可以得到比较均匀的网格。,）施加载荷和边界条件在消声器的入口处定义来流速度为/-01 2；在流体与消声器内壁接触的边界定义节点速度为零，以固定流场边界；在&-倍出口直径处定义出口压力值为零。/）定义分析类型和求解参数定义流体的物理属性，设定流体密度为&3!451 0.，温度为/-6；设置求解控制选项，打开湍流模型，设定反复次数为 7-次。8）求解。9）结果后处理。读入求解结果后，得到流场的压力分布图和流体速度矢量图。如图.和图,所示。从图中可以看出，模型!内联管的两端的湍流增强，在消声器内部插入管的边缘有较明显的压力变化，这是由于气图#消声器内部流场的总压力分布图图&消声器内部流场的速度矢量图流与消声器的内壁相互摩擦造成的，在插入管上方的空腔中，也产生了较明显的压力变化，这是由于截面的突变，使气7-.流速度发生突变，形成漩涡和流体相互碰撞，进一步加剧了流体质点的相互摩擦。!#$消声器的声场分析用!#$#对图%所示抗性消声器进行声场分析，其分析过程包括&个主要步骤：）前处理（即有限元建模）利用!#$#前处理程序()*(+，经过单元类型选择、材料参数确定、几何建模、单元生成等一系列步骤，建立该轴对称抗性消声器声场分析的有限元模型，如图,所示。图%$消声器声场分析有限元模型在单元选择上，对于结构单元，采用平面(-!*.%单元；对于声学单元，在结构与流体耦合处，采用/-012%3 的#45674658!9:8;4 类型，在仅有流体存在的空间采用/-012%3的#45674658(58:8;4 类型。由于声波是向无穷远处传播的，所以采用/-012%3 单元建立声波的环形边界。圆环半径的大小为：!#%$%!式中：!圆的半径；#消声器的总长；!波长，!&(；(圆频率对于材料的特性参数：!结构单元：其物质的密度 为+=?A&，物质的弹性模量*为%B C?A&，流体的声速 E 为.=A:，并设定基准声压值为%C F,(D。%）加载和求解利用!#$#的求解程序#G-0H1G，首先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%(D，并固定结构单元的自由度，最后定义选频率范围为 I,JK，载荷步值取%,，激活有限元单元求解器进行求解。&）结果后处理利用通用后处理器 L8;85DM(N:4O5N78:N5 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、声压级等。由于抗性消声器在低频范围内有很好的消声效果，因此对其进行研究时，主要选择了频率JK和%,JK进行分析。对其进行声场分析后，得到声压级分布图如图=和图+所示。图&$模型 节点的声压级分布图图($模型#节点的声压级分布图3&从以上图中可以看出，模型!由于两并联内接管的距离较远，且内插管与进风口和出风口的中心有一定的距离间隔，有效地增加了传递损失，因此消声性能比模型 效果要好。由此可知内插管的中心距以及其与进风口和出风口中心的间距也是影响消声性能的因素。!结论通过对消声器的声学和流体动力学分析可知，增加传递损失和减小压力损失是一对矛盾体，只有通过对局部结构进行优化才能有效地解决消声和设备功率损耗的矛盾，在增加消声性能的同时尽可能地减少设备功率损耗。#$%&%作为强大的有限元分析软件，可以方便地实现对不同结构形式的消声器的声学及流体性能进行仿真分析。利用#$%&%对抗性消声器进行流体动力学及声学分析，可以直观地反映结构的变化对消声效果的影响以及由于结构的改变而引起压力损失的变化。根据分析结果可以对内部结构优化提供有意义的建议，同时通过仿真可以快速方便地观察设计的效果，减少产品开发时间和成本。参考文献：李黎明(#$%&%有限元分析实用教程)(北京：清华大学出版社，!*+,(!黎志勤，黎苏(汽车排气系统噪声与消声器设计)(北京：中国环境科学出版社，-,!.杜功焕(声学基础)(上海：上海科学技术出版社，-/(0 马大猷(噪声与振动控制工程手册)(机械工业出版社，!*!,-(作者简介张乃龙（-12(.,），男（汉族），山东郯城人，博士生，主要研究方向为噪声的有源控制技术。杨文通（-+(,），男（汉族），江苏镇江人，博士，教授，中国计算机用户协会仿真应用分会理事，主要研究方向为网络化设计与制造，可视化技术。费仁元（-0(.,），男（汉族），浙江镇海人，教授，博士生导师，主要研究方向为制造系统监控及机器人技术(。（上接第!/+页）失效时!，!的零输入响应。由以上仿真曲线可以看出，采用一步时滞状态反馈控制律，在传感器失效时，3 稳定容错控制系统的平稳性好于采用状态反馈的系统。#结论本文针对线性离散一步时滞系统，提出的基于一步时滞状态反馈的控制方法，可以确保一类时滞系统当传感器或执行器发生故障时，仍然具有 3 稳定性。仿真结果验证文中所给充分条件的正确性和方法的有效性；与采用状态反馈控制律的 3 稳定容错控制系统进行了仿真对比研究，结果表明，该方法的动态平稳性更优。参考文献：孙金生，王执铨(不确定离散时滞系统的 3 稳定鲁棒容错控制4(控制理论与应用，!*!，-（2）：-21,-1(!王占山，李奇安，李平(不确定时滞线性系统的鲁棒容错控制4(石油化工高等学校学报，!*，0（!）：10,1/(.#5678,9:;:5(:?ABCBD B:?EFG6 FHF78:HHA=B 7?BA:58B:H DH:B?G=HC:D=B=BD=D;7BD FHF8 4(IBD(4(%J?DC?%FBF，-0，!+（1）：.,!+(0 姜偕富，费树岷，冯纯伯(线性时滞系统依赖时滞的反馈控制4(东南大学学报，!*，.*（!）：2!,22(+K7:BA%7B:B，%;:=K7;(#6?AB CD;=6 G=H F=BDH=8?J?DC?E=?BA BDAHDJ 4(控制理论与应用，-0，（!）：2,21(2 刘鹏，周东华(不确定时滞线性系统的鲁棒容错控制研究 4(控制理论与应用，!*.，!*（）：1/,/*(1 L8:6CH M N=8C:B=O?P，4:B,HH QF;:H6(%D:58DJ=G?=C 8B:H?J?DC?9D;68:J?4(IRRR S=BDH#S，-，00（+）：-/0,-/-(/杨洁亮，童镭，李国伟，杨新红(不确定离散系统的鲁棒容错KT 控制 4(哈尔滨理工大学学报，!*0，-（.）：1!,1+(作者简介李 炜（-2.,），女（汉族），陕西西安人，硕士，硕士生导师，教授，主要从事工业过程先进及故障诊断与容错控制的理论及应用研究。赵 静（-/,），女（汉族），河南荥阳人，在读硕士研究生，主要从事容错控制理论研究。*.基于ANSYS的抗性消声器性能仿真分析基于ANSYS的抗性消声器性能仿真分析作者：张乃龙，杨文通，费仁元，ZHANG Nai-long，YANG Wen-tong，FEI Ren-yuan作者单位：北京工业大学机电学院,北京,100022刊名：计算机仿真英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：2006，23(8)被引用次数：0次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.李黎明 ANSYS有限元分析实用教程 20052.黎志勤.黎苏 汽车排气系统噪声与消声器设计 19913.杜功焕.朱哲民.龚秀华 声学基础 19814.马大猷.孙家麒.程明昆 噪声与振动控制工程手册 2002 相似文献(1条)相似文献(1条)1.学位论文 郑蕾 汽车排气消声器声学性能分析及结构改进 2009 发动机排气噪声是车辆的主要噪声源之一，使用排气消声系统则是降低发动机排气噪声的最有效途径。本文在实验分析的基础上，针对于某特定车型，对消声器总成进行选型以及改进设计，以使得其能满足该车型下三种排量汽车的使用要求。论文首先分析了吸声材料、典型抗性消声器的各声学结构以及外界因素对消声性能的影响。通过实验分析对消声器进行选型，然后利用有限元法对选定的消声器内部的声场以及流场进行了数值分析，使用Fluentt软件计算分析了消声器内部的流速、温度以及压力的分布情况，为声学仿真提供参考。使用Sysnoise软件对考虑温度影响时，消声器总成的前消、后消分别进行了声场特性分析，研究了声场计算结果形成的原因以及存在的问题。综合实验、流场、声场的分析结论分别对该消声器总成的前消、后消进行了改进设计。为提高设计效率，基于传递矩阵法编制了消声器性能预测软件，辅助设计过程中的结构设计以及参数调节。最后，对改进后的消声器总成进行了仿真计算、实验验证以及流场分析，肯定了改进设计的成效性。关键词：排气消声器，有限元法，传递矩阵法，消声性能，声场 本文链接：http:/
