[发明专利]基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法、存储介质及设备

说明书

本发明涉及一种基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法、存储介质及设备，所述方法包括：对待预测对象进行单元划分，将大型结构划分为空间谱单元，其余细微结构划分为有限元，基于单元划分结果对所述待预测对象进行建模；根据待预测对象的实际情况设置边界条件、激励、响应点及各单元间的耦合，加入已构建的模型中；计算当前模型系统振动方程中的系统矩阵；根据实际需求对所述系统振动方程进行求解，获得求解结果，所述求解结果包括固有频率和系统响应等；基于所述求解结果对构建的模型进行可视化。与现有技术相比，本发明具有单元形状任意、计算效率高、并能够直接在系统方程中考虑声辐射对结构振动的影响，不需要后期处理或迭代等优点。

技术领域

本发明属于声学振动分析技术领域，尤其是涉及一种基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法、存储介质及设备。

背景技术

声学与振动的数值模拟和预测广泛应用于各大关系国计民生的工业领域中，比如建筑、桥梁、船舶、火车、航空航天、医疗器械等。目前该领域使用最广泛的数值模拟方法还是有限元法，对于某些高频情况使用统计能量法，对于某些大空间的辐射和传播使用边界元法。这些方法各有优势和缺陷。

有限元法理论简单，模型成熟，应用最为广泛，但是有限元要求每个波长内需有一定数量的结点，以保证结果的精度，这就使得有限元矩阵在计算大型模型高频情况时，会因为模型太大而需要极其强大的运算资源。即使是低频情况，如果模型较大，比如船舶工业上的整船，有限元就有些力不从心了。统计能量法作为替代方法可以在一定程度上弥补有限元方法在高频运算上的缺陷。但是，统计能量法主要基于声振传播理论，在理论上的简化很大，结果很难由实验验证，更多的是作为一个在统计层面上的指标。

另外，有限元不擅长处理大空间内的声辐射和传播，因为有限元需要将整个空间划分网格。对于这些工况，边界元方法可以使用较少的单元数达到与有限元类似的精度，从而在一定程度上替代有限元，但是由于边界元本身理论的原因，其系统矩阵往往不是对称方阵，格林函数在某些情况下不收敛或者耗时极长。另外，对于一些工况，比如折角和拐点，边界元不能很好的处理。但是边界元有它不可替代的优势，那就是只需要考虑边界，不管空间大小。这是有限元不能及的。所以，边界元作为弥补有限元在预测大空间内的声辐射和传播缺陷的替代方法更为合适。

再有，有限元和边界元单元内的值都是由结点值插值得到的，这就使得任意点值在一定程度上受到了插值函数的影响，从而引入误差。谱单元法也是解声学偏微分方程的一种方法，它不需要像有限元这样划分很细的单元，以保证每个波长内的单元数量，因此单元数量可以大大减少。谱单元法的未知量是谱的系数，因此在这些系数确定后，单元内任一点的值都是确定的，而非差值。这都是谱元强大的优势。谱元的缺陷是理论比较复杂，针对每个单元类型及其相关耦合开发出解析解费时费力。如果由数值解代替解析解，则运算量成指数倍增长。正是因为理论推导的复杂性，之前的谱单元都是正规的矩形、直角三角形等。虽然有人利用与有限元类似的形函数方法对单元进行改造，但是这样就失去了谱元不受波长内单元数的限制的优势。如果将谱元划分到与有限元单元相同的大小，由于其系统矩阵的复杂性，它就不如有限元的效率高了。也是因此，谱元在处理细微的结构细节时不如有限元。同时，适用于谱单元的相关声振辐射引发的附加质量和辐射效率的模型之前也没有被系统开发过，这些都限制了谱元在声学和振动预测领域的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够突破谱单元形状限制、计算效率高、并能够直接在系统方程中考虑声辐射对结构振动影响，不需要后期处理或迭代的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法、存储介质及设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法，包括以下步骤：

对待预测对象进行单元划分，将大型结构划分为空间谱单元，其余细微结构划分为有限元，所述大型结构包括梁、板、壳或管道，基于单元划分结果对所述待预测对象进行建模；