[发明专利]对结构进行振动-声学分析的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构的计算机辅助工程分析，特别涉及对受到谐波激励(即负载)的结构进行振动-声学分析的系统和方法。

背景技术

有限元法(finite element method，FEM)(有时被称为有限元分析(finite element analysis，FEA))是一种用于寻求偏微分方程(partial differential equations，PDE)以及积分方程的近似解法的数值方法。该求解方法是建立在完全消除微分方程(稳态问题)或者将偏微分方程转化为常微分方程的近似系统的基础上的，这些可以随后利用诸如欧拉法(Euler’s method)、龙格库塔(Runge-Kutta)等标准方法进行数值积分。

使用有限元分析来进行车辆的空气动力学性能和结构完整性的优化已经在汽车制造商中日渐普及。同样，飞机制造商早在首个原型建立前就依靠有限元分析来预测飞机性能。可以通过对涉及到的电动力学、扩散和热力学进行有限元分析来合理地设计半导体电子器件。有限元分析被用于描述洋流和污染物的分布。有限元分析越来越多地被应用在诸如烤箱、搅拌机、照明设施和一些塑料制品等消费品的生产和性能分析上。事实上，许多不同的领域已经将有限元分析当做能够随时应用的工具，包括塑胶模具设计、核反应堆建模、点焊工艺分析、微波天线设计、汽车碰撞仿真和生物医学应用(例如假肢的设计)。简言之，在轻工业和重工业的几乎每个层面，有限元分析都可以被用于加快设计、提高生产能力和效率以及优化产品性能。这往往早在首个原型被开发之前就已进行。

具有挑战性的有限元分析任务之一是仿真受到外部激励的结构的声学响应(如噪音)。解决结构声学响应问题的一般方法涉及到在振动和声学分析中求解方程。对于具有大量FEA单元的系统而言，求解传统数值方法中的这些方程的计算量庞大，并且需要大量的资源。

过去几十年以来，边界元法(boundary element method，BEM)已成为解决工程问题的一种通用且有力的工具。边界元法是一种求解边界值或初始值问题的数值方法，该边界值或初始值问题采用了边界积分方程进行公式化。边界元法有利于解决无限域问题，因为其在无穷远处的辐射条件是自动满足的。边界元法将问题的维度减少到一，例如，仅需要对域的边界进行网格化。因此，边界元法在很多情况下作为对更广泛地使用有限元分析的一种替代选择。特别是边界元法已成为解决由亥姆霍兹(Helmholtz)方程限定的声学问题的很好的候选方法。

许多进行振动-声学分析的现有技术的方法都是特定的，例如，将不同计算机软件串在一起。这些方法不仅需要人为介入，而且也容易出错。因此，有必要开发采用有限元分析和边界元法二者来有效且高效地进行结构的振动-声学分析的综合方法和系统。

发明内容

本发明公开了通过对结构进行振动-声学分析来仿真由特定激励产生的声场的方法和系统。根据本发明的一个方面，结构的振动-声学分析分为两个阶段。首先，使用受到谐波激励(例如，外部节点负荷、压力、或强迫运动(如地面运动)等)的结构的有限元分析模型获得稳态动力(steady state dynamic，SSD)响应。稳态响应是频域内的有限元分析得到的结果(例如，结构的所需位置处的节点速度)。其次，根据亥姆霍兹方程，将在结构的所需位置处获得的节点速度作为边界条件进行声学分析。声学分析可以在若干步骤中进行(例如，边界元法、瑞利近似法等)。

根据另一方面，首先对结构进行模态分析，以得到固有振动频率(即本征频率)和结构的对应振动模态。随后使用模态叠加技术施加谐波激励以获得结构上一些所需位置的SSD响应(例如，节点速度或压力)，例如，汽车的挡风玻璃和内部面板处的SSD响应，以确定激励产生的噪音水平。外部激励一般通过周期性负荷的振幅和相位角来表示，该周期性负荷采用一定频率范围的频谱形式。该结构的特性通过频率响应函数(frequency response function，FRF)来表示，其中结构响应(测量或计算得到)是由单位谐波输入激励产生的结果。

可选地，可以进行有限元瞬态分析。随后通过傅里叶转换将时域解转换为频域解。

在一些实施例中，进行间歇性模态分析，例如，对于结构的预应力条件或结构中存在的任何非线性特征。随后使用结构的间歇性本征频率和相应的振动模态以获得SSD反应。

根据另一方面，使用不同方法施加阻尼从而对SSD响应和FRF进行调整，使得数值仿真可以更好地与现实结果相匹配。