轻量化面板结构的动态分析和声学分析的精度：ABAQUS和ANSYS的比较外文翻译资料

轻量化面板结构的动态分析和声学分析的精度：ABAQUS和ANSYS的比较

目前，建筑物中低频声音的传播受到越来越多的关注，因为诸如陆上交通和空中交通甚至家庭影院的低音炮都成为了许多人的日常生活的一部分。 因此，开发高效精准的方法用于预测建筑物中的声音尤为重要。 在低频范围内，建筑结构中的声音和振动的预测可以通过有限元分析（FEA）来实现。 本文的目的是比较用于木材轻型面板结构中声学结构耦合有限元分析的两个商业代码ABAQUS和ANSYS。为此，使用声学介质内的声波的完全耦合模型和结构部件中的振动来执行模态分析。该研究涉及的频率范围为50-250Hz。

关键词：结构声，建筑声学，有限元分析，ABAQUS，ANSYS。

1简介

低频声音对于轻质建筑结构中的居民是潜在的烦扰。因此，开发用于预测这种建筑物中的声音的高效且准确的方法很重要。对于各种简单结构，人们已经建立了分析解决方案[1]，并且通常已经发现的统计能量分析（SEA）[2,3,4]提供声音传输的可靠预测。然而，SEA对于轻质结构（例如木地板和墙板）的有效性有限。已经发现的统计能量分析（SEA）和欧洲标准EN 12354 [5]提供了重结构中声传播的可靠预测，例如，混凝土建筑。然而，使用基于能量的方法在轻质结构中的声音传播的预测可能是不精确的[6]。相反，最近的研究表明，有限元分析（FEA）可以用于通过此类轻质建筑结构在低频范围内的声音传输的预测[6,7,8]。本文通过采用完全耦合的声场三维模型和轻质结构沿着个方向继续研究。商业FEA代码ABAQUS [9]和ANSYS [10]具有与声学介质相互作用的结构的完全耦合分析的能力，从而允许分析结构传播和空气传播的声音。本文的目的是比较两个商业代码在声场和结构之间耦合的准确性和建模的难度。模态分析在250Hz内的频率域中进行。第2节描述了应用于分析的计算模型。结果在第3节中给出和讨论，主要结论在第4节中给出。

2计算模型

轻质墙体和地板结构通常由具有螺柱（或托梁）框架上的板的板结构制成。在这种面板中，框架可以是单或双立柱框架，具有或不具有不同的多孔和弹性层以减少声音和振动通过面板的传输。在单柱框架的情况下，存在从板的一侧到另一侧的直接结构耦合。在本分析中，考虑由三个面板组成的单个房间。通过商业有限元分析（FEA）软件包ABAQUS v.6.11-1 [9]和ANSYS v.14.0 [10]对内部尺寸为3.7times;3.7times;2.7 m3（长times;宽times;高）的房间进行建模。在所有的FEA模型中，三个壁被认为是柔性轻质板，板安装在螺柱上。面板内的空腔假定为如图1所示。

该结构由木材构成，板的厚度为0.02mu;m，而螺柱的截面积为0.1times;0.1m 2。每个面板的框架具有相同的横截面尺寸。因此，螺柱之间的空腔具有0.5mu;m的宽度。在标准单向柱的情况下，腔体为2.5m高。在相邻的墙板之间以及在墙之间，柱和梁被放置成具有0.14times;0.14m 2的横截面积。

假设面板为均匀和各向同性线性材料。材料属性有：

bull;木材（板，螺柱）杨氏模量E = 14 GPa，泊松比upsilon;= 0.35，密度rho;= 500 kg / m3。

·空气：体积模量Ka = 141360Pa，密度rho;a= 1.2kg / m 3。

图1：包括三个相对壁的计算模型。板的一部分已被移除以露出下面的螺柱。

使用具有20个节点的固体3-D应力有限六面体单元（C3D20）和结构的位移场的二次空间内插获得具有三个壁的ABAQUS模型的计算网格，并且具有20个节点的声学六面体单元（AC3D20）用于空气。采用与3times;3times;3高斯点的完全集成。基于预期在250Hz的较高频率处的模型中发生的波长，在模型的所有部分中，网格尺寸（最大元件侧长度）已经被设为0.1mu;m，参见图2和图3.单个元件已经假设板厚度提供弯曲刚度的适当表示。框架和板沿外边缘完全固定，否则是自由的，即框架和板固定在具有正或负Y方向上的向外法线的表面上。在结构元件之间的所有内部接口处，框架和柱（或梁）被刚性地连接，在ABAQUS中采用基于表面到表面的约束约束。在空气（压力）和结构（位移）之间应用类似的约束。最后，注意到，不包括在模型中的墙壁，地板和天花板都被假定为表现为刚性，硬的表面，导致声波在这些边界处的完全反射。

图2：具有三个壁的模型的结构部分的网格。

图3：具有三个壁和空气的（ANSYS）模型的网格。

ANSYS模型使用具有20个节点的固体3-D应力有限六面体单元（SOLID186）和结构的位移场的二次空间内插来建模，并且声学六面体单元（FLUID220）用于空气。 FLUID220是一个高阶3-D 20节点实体元素，呈现二次压力行为。它用于建模流体介质和界面在流体/结构相互作用问题。元素节点具有每个节点四个自由度：节点UX，UY和UZ方向上的平移以及压力。翻译仅适用于接口上的节点。在模型的所有部分中选择网格尺寸为0.1mu;m，并且如对于ABAQUS模型所描述的那样应用边界条件。根据[9]，SOLID186元件对应于C3D20，如果KEYOPT（2）= 2和KEYOPT（6）= 0被选择用于SOLID186元件，即完全积分和纯位移公式。对于ANSYS模型，已经考虑了结构和空气之间的两种不同的耦合方法。首先，使用与固体KEYOPT（2）= 0接触的声学元件（FLUID220），其允许流体结构相互作用。这导致具有UX，UY，UZ和PRES（压力）的非对称元素矩阵作为自由度。对于流体域中的所有其他声学元素，KEYOPT（2）= 1导致具有PRES自由度的对称元素矩阵。图3中示出了用于结构和空气之间的耦合的这种方法，其中使用具有KEYOPT（2）= 0的一层FLUID220元件，并且使用KEYOPT（2）= 1来使用内部部分。第二种方法是使用KEYOPT（2）= 2对于所有FLUID220元素，对于流体域中的所有元素获得对称元素矩阵。

3 结果与讨论

以下部分介绍了第2节中描述的模型的模态分析的结果。模型的无阻尼本征频率已经在1-250Hz的频率范围内计算。注意，计算模型在频率0Hz处产生多个模式，对应于面板内的充气腔内的压力的准静态变化。这就解释了为什么将频率下限设置为1 Hz。使用在ABAQUS中实现的Lanczos算法针对使用ABAQUS中的基于表面到表面的约束约束获得的对称问题来估计本征频率。通过使用ANSYS，根据结构和空气之间的两种不同的耦合方法研究了两种解决策略。

在分析之前，已经对ABAQUS和ANSYS模型进行了相对于以下量的比较，以确保相等的模型：

bull;物理质量

bull;质心

bull;绕原点的惯性力矩

bull;惯性力矩靠近质心

bull;节点和元件数

bull;数字耦合

3.1模态分析

图4显示了仅考虑木材结构元素时的估计无阻尼本征频率。估计的结构模式分布为第一本征频率从约108Hz到约220H​​z。同预期一样，结果显示没有偏差。对于包括空气的模型获得的结果也显示出良好的一致性，参见图5.然而对于200Hz以上的估计频率。可以看到小的偏差，参见图6.这些模式被识别为面板和空气之间的较高耦合模式。可以看出，与ABAQUS模型在该范围内获得的结果表明与ANSYS模型相比较低的刚度。这种偏差可能与所使用的耦合方法有关。图7示出了使用在第2节中描述的两种不同耦合通过ANSYS获得的估计的本征频率。这些结果关于本征模式的数量以及相对于频率的大小具有良好的一致性。仅使用耦合方法1估计出高于230Hz的更少的模式。这可能是由于使用ANSYS非对称解算器。已知这样的解算器给出结构 - 声学模态分析问题的可接受的结果。然而，求解器对所谓的“移位”（起始频率）敏感。特别地，如果一些本征频率被聚类，则结果取决于期望隐藏本征频率的第一步。

4结论

本文考虑了木材轻型板结构中声学结构耦合的两个商业代码ABAQUS和ANSYS的FEA的比较。 为此，使用声学介质内的声波的完全耦合模型和结构部件中的振动来执行模态分析。 该研究涉及50-250Hz的频率范围。一般来说，两个代码传递结果具有良好的一致性，然而对于更高的本征模式，发现ANSYS模型有点僵硬。这种偏差可能是由于研究中使用的不同耦合方法。在未来轻质建筑的声学性能分析中，这个问题将由作者进一步研究。

图4：本征频率-无空气 图5：本征频率-有空气

图6：本征频率-空气（放大） 图7：本征频率-空气

轻型车辆复合树脂弹簧的设计与分析

摘要： 在增加或保证产品强度的同时减轻重量正成为这个现代世界中非常重要的研究问题。复合材料是引起研究人员注意并成为这种问题的解决方案的材料家族之一。在本文中，我们描述了复合板簧的设计和分析。目的是比较复合板簧与钢板弹簧的应力和重量减轻。设计约束是刚度。由于复合材料具有高强度重量比，良好的耐腐蚀性，汽车工业对复合钢板弹簧更换钢板弹簧很感兴趣。所选择的材料是玻璃纤维增​​强聚合物（E-玻璃/环氧树脂），使用碳环氧树脂和石墨环氧树脂来对抗常规钢。选择和分析设计参数，目的是与钢板弹簧相比最小化复合板簧的重量。板簧在Auto-CAD 2012中建模，并且使用ANSYS 9.0软件进行分析。

关键词：刚度，复合板簧，钢板弹簧，ANSYS 9.0，Auto-CAD 2012。

I.引言

板簧主要用于悬挂系统中以吸收轻型汽车，重型卡车和轨道系统等汽车中的冲击载荷。除了冲击吸收[1]，它还承载横向载荷，制动扭矩，驱动扭矩。板簧相对于螺旋弹簧的优点在于，弹簧的端部可以在其偏转时沿着确定的路径被引导，以作为除了能量吸收装置[2]之外的结构构件。根据研究，具有最大强度和最小弹性模量的材料在纵向方向是最适合板簧的材料[3]。

为了满足自然资源保护的需要，汽车制造商近年来正在尝试减轻车辆的重量[4]。主要通过引入更好的材料，设计优化和更好的制造工艺来实现重量减轻。悬挂片簧是汽车簧下重量减轻的潜在项目之一。这实现了具有更高燃料效率和改善的骑乘质量的车辆。复合材料的引入使得可以减小板簧的重量，而不会降低承载能力和刚度[5]。

对于汽车的重量减少，因为它导致汽车的非弹簧重量的减少。重量不传递到悬架弹簧的元件称为汽车的非弹性元件。这包括车轮组件，车轴，以及悬架弹簧和减震器的重量的一部分。板簧占弹簧重量的10-20％[6]。复合材料使得可以减小机械元件的重量，而不会降低承载能力。因为复合材料的高弹性应变储能能力和高强度重量比与钢相比[7]，[8]。 FRP弹簧还具有优异的耐疲劳性和耐久性。但是，板簧的重量减轻不仅通过材料替换而且通过设计优化来实现。

在目前的情况下，减轻重量一直是汽车制造商的主要焦点。用优化设计的复合板簧替换钢可以减轻92％的重量。此外，与钢弹簧相比，复合板簧具有较低的应力。所有这些能够节省燃料，进而使各国能源独立，因为节省的燃料就是已经生产的燃料。

II。 工作目标和范围

本工作的目的是设计，分析和提出一种用于汽车悬架系统的复合单板弹簧的制造方法。 这样做是为了实现以下目的：

这种设计有助于更换传统钢板弹簧与复合单片弹簧更好的乘坐质量。

通过用单组合钢板弹簧替代钢板弹簧，显著减轻悬挂系统的重量。

III。 问题描述

悬挂片簧是汽车重量减轻的潜在项目之一，因为它占了非弹簧重量的10％到20％[9]。如果成本没有大量增加并且质量和可靠性也未降低[7]，复合材料的引入将有助于设计一个更好的悬架系统，会有更好的乘坐质量。特定应变能的关系可以表示为众所周知的弹簧，被设计为吸收和存储能量，然后缓慢释放。能够存储和吸收更多的应变能量，确保舒适的悬架系统。 因此，材料的应变能量成为设计弹簧的主要因素。比应变能的关系可以表示为[15]

U= ?* ?/2rho;E

其中sigma;是强度，rho;是密度，E是弹簧材料的杨氏模量。

不难发现，具有较低模量和密度的材料将具有较大的比应变能容量。复合材料的引入使得可以减小板簧的重量，而不会由于更大的弹性应变储能容量和高的强度与重量比而降低承载能力和刚度。

A.常规叶弹簧的缺陷（[1]，[4]，] [5]，[7] ...）

它们具有较小的比模量和强度。

增加重量。

传统的板簧通常使用钢制叶片制造和组装，因此重量更重。

与复合材料相比，其耐腐蚀性更低。

钢板弹簧具有较小的阻尼能力。

B.复合树脂弹簧的质量[1-13]

减轻重量。

由于叠层结构和单复合板簧的厚度减小，整体重量会更小。

由于减轻重量，燃油消耗会减少。

它们具有高阻尼能力; 从而产生较少的振动和噪声。

它们具有良好的耐腐蚀性。

它们具有高比模量和强度。

更长的疲劳寿命。

C.假设

排除所有非线性效应。

复合材料的应力 - 应变关系是线性和弹性的; 因此胡克定律适用于复合材料

假定板簧处于真空状态。

负载均匀分布在板簧中部。

片簧具有均匀的矩形横截面。

IV。 选择横截面

考虑用于制造容易性的以下单片弹簧的横截面。

恒定厚度，宽度设计

变化宽度，变化厚度设计。

恒定厚度，恒定宽度设计

在本工作中，由于以下原因，仅选择恒定横截面设计方法：由于其能够大量生产和适应纤维的连续增强。 由于整个板簧的横截面积是恒定的，在制造过程中可以连续供给相同数量的增强纤维和树脂[7]。

V.树脂材料

用于板簧

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