（轮机工程专业论文）离心泵振动噪声分析及声优化设计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 结构声优化是振动与噪声控制领域的一个重要研究方向。本文以 i s l o o 6 5 3 1 5 离心泵为具体研究对象，对结构噪声预测与优化控制进行了初步的 研究。主要工作包括：离心泵内部流道模型的建立，离心泵内部流场分析( 径 向力的计算) ；离心泵振动有限元建模的研究，声学边界元建模的研究；：基于 有限元方法的离心泵振动响应分析，基于边界元方法的辐射噪声预测；离心泵 底座加厚后的辐射噪声预测。 论文首先对前人在振动和噪声控制研究方向的成果作了概述，明确了本文 研究工作的重点和需要解决的主要问题，然后对有限元法和本文用到的有限元 软件( c f x 、p a t r a n n a s t r a n 和s v s n o i s e ) 进行了介绍。 本文研究了i s l o o 6 5 3 1 5 离心泵的内部流场，根据离心泵叶轮通道的几何 和流场特点，探讨了离心泵叶轮通道的结构化网格划分中的一些处理方法，同 时应用标准k s 紊流模型对离心泵叶轮内部的三维紊流流动进行了雷诺平均 n s 方程的数值计算与分析。分析了离心泵叶轮旋转对流速分布，压力分布的影 响，研究了离心泵叶轮通道内流动规律，得出了作用于蜗壳上的径向力变化规 律。在只考虑受径向力作用下，用有限元分析软件p a 打a n n a s t r a n 中进行了离心 泵的振动响应分析。计算离心泵受到激励时的振动位移、振动速度；并把在 p a t r a n n a s t r a n 中建立的有限元模型和计算的振动速度导入s v s n o i s e 中进行辐射 声场分析，计算辐射声场中场点的声压值和声压级，同时研究离心泵部分形状 改变对离心泵结构辐射噪声功率的影响。本文研究所采用的方法和得出的结论 对其他学者在这一领域的研究具有参考价值。 关键词：离心泵，有限元，边界元，优化设计，辐射声场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 佗s e a r c ho fs t r u c t u r a ln o i s ec o n t i o li s 如i l p o r t 衄t 唧e c to fn o i s ea n d v i b r a t i o n n t i d ld o m a i n s t 1 l ci s l 0 0 6 5 3 1 5c e n t d f u g a lp u m p 弱t h cr e s e a r c h0 b j e c t ， t l l ep r c d i c t i o n 衄do p t i m i z 曲no fm es t n l c t i l r a ln o i s eh 髂b e 皿s t i l d i c d 1 1 l ew o r k i c l u d e st l l e s ea s p e d 【s ：t l i ec o n s t m c 哟n0 f 锄t i t ym o d e lt l l en l l i dc h 蝴e li nt l l e c e n t r i f u g a lp u m p ；n u i d6 c l di l lt h ec e n t r i 如g a lp 啪pa a l y s i s ( c a l c u l a t i o no ft l l er a d i a l f o r c c ) ；t h ec o n s t n l c c i o no fe n t i t y 咖d e l 卸df i l l i t ce l e m e n t ( f e ) m o d e lo ft l l e c c n 慨g a lp u m p ；s e a r c ho fb o u n d a r ye l e m e n t ( 髓) m c m o df o rn o i s ep r e d i c t i o n ；t l l e m o d a l 锄a l y s i so ft h ec c n 证f i l g a lp u n l p ；t h eh 狮o n i cr e s p 仰s e 吼a l y s i sa n dr a d i a t e d n o i s ep r e d i c t i o n t h ea c h i e v e m e n t so ff b m e rr e s e a r c h e ri nn o i s e 柚dv i b r a t i o nc o n t r o l0 f c e n t r i f i l g a lp u m p 瓤er c 、r i e w e df i 娼t l y ，w h i c hm a ：k et t l ek e yp r o b k m sc l e 缸e r t h e f ：i n i t ee l e m e n tm c 也o da n dt l l ef i n i t ee l e m e n ts o f h v 盯ef ( 蛋x 、p a t r ；m n a s t r 趾锄d s y s n o i s c ) a r ei n t r o d l l c c d t h e p 印e r r e s e a r c h e sf l u i df i e l di nt h ei s l o o - 6 5 3 1 5 c c n 砸f t l g a l p u m pa o c o r d i n gt ot h ef 酿t u r e0 fg e o m e t r y 觚dn u i d6 e l di nt h ec e n t r i f l l g a lp u m p ，i t i sd e s c r i b e dm en l l i dc h 锄e 1i nt h cc e n t r i f i l g a lp u m pi m p e l l c rb ys t m c t u 犯d 鲥d s i n t l l i sp a p e r ，t l l es t 锄d 盯dk - fm r b u l c n c cm 1 3 d e la i l dw a l lf h d i o nw e r ca d 叩t e dt 0s o l v e 3 dt u r b u l c n tf l o wf i e l di nt h ei m p e l l e ro fac e n t r i f u g a lp u m p 1 1 l ei i l n u e n c e so ft l l e b l a d ep 磷l eo ns p e e dd i s 曲u t i o i l ，p r e s sd i s t 曲u t i o n s n ef l o wr c g i l l a t i o np a t t e mi n t l l ei m p c l l e ro fac c n t r i f l l g a lw a sa l s oj n v e s t i g a t e d no f f e r e du sh e l pi na n a l y s i so f v i b r a t i o na n dy a w pa n dt h ev i b f a t i o ne 龀c to f t h e 谊d i a l l o t c e 陆s t m a k i n gu s eo f f i n i t ee l e m e n t 蛆a l y s i ss o f 研a r ep a t r a n n a s t r 锄t o 柚a l y z et h e 打e q u e n c yr c s p o n s e ， t l l e nc a l c u l a t et l l ev i b f a t i o nd i s p l a c e m e n t 蛆dt l l cv i h a t i o nv e l o c i t y0 ff o r c e d v i b t a t i o no ft h ec c n t r i f i l g a lp u m p t h ec c n t r j f u g a lp u m pm o d e l sa i l dt l i ec a l c u l a t e d v i b r a t i o nv e l o c i t y 盯ei m p o ni n t ot h ea c o u s t i c sa i l a l y s i ss o f t w a 他s y s n o i s et oa a l y z e t h er a d i a t i o n n o i s c f i e l d ，c a l c u l a t es o u n dp r e s s u r ea n ds o u n dp r e s s u r el e v e lo f 出e 6 e l dp o i n t sj nt l l er a d i a t i o n n o i s e f ! i e l da n ds t u d yt h ei m p a c to ft l l ec e n t r i f i l g a lp u m p i i 武汉理工大学硕士学位论文 s t n l c t u r a lp 缸a m e t c r sm o d i f i c a t i o n t h et e c h n i q u co ft h er e s e a r c ha 1 1 dt 1 1 ec o n d u s i o n s a f ev a l u a b l et oo t h e rs c h o l a r s r e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：c e n 仃i f i l g a lp u m p ，f i n i t ce l 锄e n t ，b o u n d a r ye l 锄e n t ，叩t i i i z a t i 咖， r a d i a t i o n n o i s c f i e l d i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 降低噪声的意义 众所周知，噪声危害最直接最明显的表现在于对人的影响。噪声的危害是 多方面的，噪声不仅对人们正常生活和工作造成极大的干扰，它还影响人们的 交谈，思考，影响人的睡眠，使人烦躁，反应迟钝，工作效率低下，分散人的 注意力，引起工作事故，更严重的情况是噪声可使人的听力和健康受到损害。 所以噪声的控制对于人类是具有十分重大的意义。随着生产与工业技术的进步， 噪声逐渐成为新的环境污染噪声是环境污染的四大公害之一，噪声治理工程投 资约占环保投资的1 5 2 0 ，目前国内噪声控制厂家就约有4 0 0 余个【1 】o 1 2 降低噪声的主要方法和特点 在工程实际中，降低噪声有三种途径：控制噪声源；降低主声源机械功率 转化为辐射噪声的功率的比例；切断噪声传播途径。其中最有效的方式是控制 噪声源，一、有源控制倥枷，即通过附加激励源的方法来消除或减少振动；二、 无源控制，是通过改变结构自身的材料、形状、尺寸来减小振动，也就是本文 所侧重的结构声学设计方面。 结构声优化方法：对一个结构的厚度尺寸或是其它的参数进行改变，以使 振动结构辐射出的噪声最小，这就是结构声优化方法。运用结构声优化方法，可 以在产品结构设计阶段或是成型之后，对振动结构的辐射噪声进行分析与计算 1 5 - 9 】，以便找到最理想的低噪声设计方案或是降低噪声的解决方法。所以对一个 结构进行声优化，不仅具有理论意义，而且还有重大的经济价值。 结构优化的任务，就是以数学规划为基础，运用计算机从众多的可行设计中， 选择出相对而言属于最优的设计方案，最优设计由三部分构成，即：结构分析， 计算机的运用，优化算法。当一个设计所希望达到的目标及必须满足的限制条 件都能用数学式子表达时，这种方法与传统的设计方法相比，往往具有一定的 优越性，可使设计质量提高，优化设计虽然从本世纪六十年代初以来，发展很 武汉理工大学硕士学位论文 快，但毕竟还不太成熟，至今没有一个通用的方法，只是对有些结构在某种条件 下，有了一些初步的优化方法。 目前优化设计主要侧重于优化的约束方面的讨论研究。研究了静力约束与 动力学约束的性质，论证了：除固有频率约束的可行域非凸外，所有静动约束 的可行域皆为有界凸域。另外对结构拓扑优化也做了一定的研究，虽然进展不 大，但是拓扑优化可看作为在非凸可行域上的最优化问题。但是对于复杂的物 体进行优化时，过多的约束条件产生过多的参数变量等其他问题，并没有很好 的解决。还有对于局部优化对整体优化所产生的影响这方面的研究还有一些问 题需要解决。 本课题试图通过n 嬲仃孤，s v s n o i s e 等软件平台来优化设计结构。其中n 龉t i 锄 软件里面有优化模块，能够对频率约束或频率响应约束下重量目标等动力优化 问题进行优化设计。如可在网格自适应技术的基础上实现网格重划分功能，处 理多种载荷及边界条件，对解决超大型模型同样有效。因此在n a s 让中对结构 进行有限元建模，计算模型在激励力作用下的动力响应之后，再利用结构表面 的速度作为边界元的边界条件，在s y s n o i s e 软件中计算声学物理量。在s y 蚰o i s e 软件里面有一个进行结构边界元计算的模块。因为s y 蚰o i s c 软件既含有有限元 技术又含有边界元技术，能用于处理一般复杂弹性结构的耦合振动声学问题。 利用从n a s t r 柚分析的动力响应，作为s y 蚰o i s e 软件中声学边界元分析模型的输 入边界激励条件，再进行声学计算分析，这就是s v s i s c 软件的强大的声学后 处理功能。不但如此，s v s n o i s e 软件里面有个灵敏度分析模块。它的功能能够寻 找对声音影响最大的极点频率。利用这种方法，可以根据自主建立的多种有限 元模型，模拟一定工况下的振动并进行噪声分析，用s v s n o i s e 计算噪声辐射功 率，而不必用实验的方法测定，继而可以运用n a s t m 对结构进行优化，做出辐 射功率的多方案设计，从中得出比较理想的优化设计方案。 1 3 结构声优化技术的国内外研究现状与发展趋势 1 3 1 国内研究状况 国内做结构声优化方面，已有很大的进展，并有些己运用到现实中。华中 科技大学邓晓龙、张宗杰、刘少彦用f e m b e m 方法预测发动机油底壳【”4 1 1 的 辐射噪声。西安建筑科技大学的刘锋、李丽娟【”1 等人对薄板结构的安定优化设 武汉理工大学硕士学位论文 计进行了研究，天津市环境保护科学研究院的陈璐、纪涛、杨彦涛、刘东方l ”l 等 人做的柴油发电机房噪声治理的优化设计及应用，都己把声优化理论运用到实 际情况中。在优化过程中的声辐射模态1 1 卅分析中，大连理工大学的黎胜、赵德 有等人用有限元边界元方法进行结构声辐射的模态分析，建立了轻流体介质中 复杂结构振动声辐射的模态分析模型，可以计算结构的模态辐射效率，场点声 压，结构辐射声功率和辐射效率等声场特性参数，并以板的振动声辐射为例进 行了模态分析，并与用远场r a y l e i g i l 积分计算所得出结果进行了比较，研究了 激励力作用位置对结构声辐射的影响。在优化计算中的研究，北京航空航天大 学的许素强、夏人伟等人【”1 用结构拓扑优化与遗传算法进行了研究，表明结果 是可行的。文献 1 6 ，1 7 ，1 8 则将优化控制技术运用到锅炉房、通风机和柴油 机上面，取得了一定的进展。 1 3 2 国外研究状况 在国外进行降低结构振动辐射噪声的声忧化早期研究中，结构韵尺寸、形 状和运用复合型材料一直是优化的首选，并也取得了一定的成就。a d b e l e g l l n d u ( 1 9 9 4 ) ，r r s a l a g 锄ea n dg h k o o p m 锄( 1 9 9 4 ) 提出了降低噪声的通常策略。 a d b e l e g l l n d u 蛆d t _ r c h a n d m p a “1 9 9 9 ) ”l 介绍了优化理论和在工程中的应 用。h cl a n g 锄dd y m ( 1 9 7 4 ) 姐dl a l o r ( 1 9 7 9 ) 等人做了用优化技术和有限元方法 降低噪声辐射的研究。而b c m a r d ( 1 9 8 5 ) 柚dw n c o x 柚dh l o 1 9 8 7 ) 等人则论证了 形状的优化对降低平板辐射噪声十分有效。近来l a m 如c l l s a ( 1 9 8 8 ) ，s i v a k i l m 盯e t a 1 ( 1 9 9 1 ) 趾dn a g h s l l i n e he ta 1 ( 1 9 9 2 ) 等人也在这方面作了一定的研究。 j s l a m 锄c i l s a 则运用数字优化技术对平板进行声学研究，他利用s q u i d ( 噪声优 化工具包1 ，将平板的动力学分析与噪声功率计算结合起来，进行了降低噪声辐 射功率的研究。以上所有学者都只是对结构的质量，尺寸进行了改变，并没有 对阻尼和其它方面作一些分析。 1 3 _ 3 声学优化需要解决的问题 对于复杂振动结构的声学优化，目前存在着很多需要解决的问题。 1 构建模型的准确性。 2 在一般情况下，结构各部分的简化模型只局限在较窄频带范围内才能应 武汉理工大学硕士学位论文 用，而在实际的工程结构中，却存在很多约束。 3 建立的理想化的修改措施，只有在很少情况下才能转化为技术上可实现 的措施。每一个物理参数的变化，一般来说都会对其它的参数产生耦联 的影响。 4 大部分的研究都是对结构的尺寸，形状的优化，而进行阻尼的分布、刚 度分布、运甩合成材料这方面的研究却很少，进展缓慢。 1 4 本文的课题来源、研究背景和主要内容 1 4 1 课题来源 本课的题目是“结构声优化设计方法的研究”。本课题是国家自然科学基金 项目“机械振动与噪声的激励源信号的盲分离方法的研究”( 项目编号： 5 0 2 7 5 1 0 9 ) 的一个子课题， 1 4 2 研究目标 本课题运用有限元法和边界元方法，确立声学结构参数，建立振动的结构 参数与声辐射的关系，从而可以对结构和声辐射功率进行分析，同时在所建立 模型的基础上提出改进以便使噪声辐射降低。 1 4 3 主要研究内容 本课题应用有限元方法，首先通过p r 0 ，e 建立离心泵流道模型和离心泵实体 模型。然后用c ( 计算流体动力学软件) 算出离心泵的径向力的变化，接着用 p a t r 柚软件计算离心泵在径向力的作用下所产生的振动响应，最后将离心泵表面 的振动速度作为边界条件，导入s y s n o i s e 里面进行声辐射的计算，求出各个频 率下的声压级以及辐射的声功率。最后对离心泵底座尺寸进行改变，以此来降 低噪声的辐射。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有限元法及流场、振动噪声分析软件平台 有限元法从2 0 世纪5 0 年代至今，经过几十年的发展，不断开拓新的应用 领域，其范围已由杆件结构问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问 题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定问题，由固体力学 问题扩展到流体力学、热力学、电磁学等问题。如今它已成为广大科技工作者 的有力工具，解决了大量实际问题。 国际上早在2 0 世纪6 0 年代初就开始投入大量的人力和物力来开发有限元 分析软件，但真正的有限元分析软件诞生于7 0 年代初期，而近1 5 年则是有限 元分析软件商品化的发展阶段。目前流行的有限元分析软件有n 蛐姐、a n s v s 、 i d e a s 、a b a ( j s 、t a r c 、c o s m o s 、c f d 等。 2 1 有限元法 2 1 1 有限元法的基本思路 有限元法的基本思路是将结构物看成由有限个划分的单元组成，以单元节 点的位移或节点力作为基本未知量求解。按选取基本未知量的不同，分为位移 法、力法和混合法。位移法选取节点位移为基本未知量，力法选取节点力作为 基本未知量，而混合法选取一部分节点位移和一部分节点力作为基本未知量。 2 1 2 有限元法进行结构分析的基本步骤 有限元法进行结构分析的基本步骤如下： 1 结构物的离散化 结构物的离散化是将待分析的结构物从几何上用线或面划分成有限个单 元，即将结构物看成有限个单元构成的组合体。按结构物形状的不同和分析的 要求，选取不同形式的单元，通常在单元的边界上设置节点，节点连结相邻的 单元。 结构物离散化时，划分的单元大小和数目应根据计算精度的要求和计算机 的性能来确定。 武汉理工大学硕士学位论文 2 单元分析 所谓单元分析就是设法导出单元的节点位移和节点力之间的关系，即建立 单元刚度矩阵。在分析杆件结构时，其单元通常为等截面直杆，单元两端的节 点位移和杆端力之间的转换关系可直接利用结构力学导出的公式给出。而在分 析弹性力学平面问题时，每个平面单元内的任意点的位移需要按一定的函数关 系用节点位移来表示，这种函数称为位移函数或位移模式。选择的位移函数应 保证解的收敛性，因此建立合理的位移函数是单元分析的关键。位移函数确定 之后，就可以利用弹性力学的基本方程导出单元刚度矩阵。 此外，还需要按静力学等效原则将作用于每个单元上的外力简化到节点上， 构成等效节点力。 对于每一个单元进行上述分析之后，可建立单元刚度方程。 3 整体分析 整体分析就是将各个单元组成结构整体进行分析。整体分析的目的在于导 出整个结构节点位移与节点力之间的关系，即建立整个结构的刚度方程。 整体分析的步骤为：首先按照一定的集成规则，将各个单元刚度矩阵集合 成整体刚度矩阵，并将单元等效节点载荷集合成整体等效节点载荷列阵；然后 引入结构的位移边界条件，求解整体平衡方程，得出基本未知量节点位移 列阵；最后计算各单元的内力和变形。 2 2c f x 软件平台 c f ) 【是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的商业c f d 软件，由英国蚯a t c c h n o l o g y 公司开发。2 0 0 3 年，c f x 被a n s y s 公司收购。目前，c f x 在航空航 天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、水灾 安全、冶金、环保等领域，有6 0 0 0 多个全球用户。 2 2 1c f x 的主要特点 1 超强的网格生成工具 c f x 的前处理模块是i c e mc f d 所提供的网格生成工具包括表面网格、六 面体网格、四面体网格、棱柱体网格( 边界层网格) 、四面体和六面体混合网格、 自动六面体网格、全局自动笛卡儿网格生成器等。它在生成网格时，可实现边 武汉理工大学硕士学位论文 界层网格自动加密，流场变化剧烈区域网格局部加密、分离流模拟等。 i c e mc f d 除了提供自己的实体建模工具之外，它的网格生成工具也可集成 在c a d 环境中。用户可在自己的c a d 系统中进行i c e m 的网格划分设置，如 在o m 中选择面、线并分配网格大小属性等等。这些数据可储存在。气d 的原 始数据库中，用户在对几何模型进行修改时也不会丢失相关的i c e mc f d 设定 信息。另外，c a d 软件中的参数化几何造型工具也与i 晓ma d 中网格生成及 网格优化等模块直接联接，大大缩短了几何模型变化之后的网格再生成时间。 其接口可适于s o 瑚w 础【s 、c a t i a 、p m 胁舀c c r 、i d e a s 、u n i g r a p h i c s 等 o 系 统。 2 可以分析众多物理问题 c f x 可计算的物理问题包括可压与不可压、耦合传热、热辐射、多相流、 粒子输送过程、化学反应和燃烧等问题。还拥有诸如气蚀、凝固、沸腾、多孔 介质、相间传质、非牛顿流、喷雾干燥、动静干涉、真实气体等大批复杂现象 的实用模型。在其湍流模型中，纳入了七一e 模型、低r e y n o l d s 数七一模型、低 r c y n o l 砸数w i l c o x 模型、代数r e y n o l d s 数应力模型、微分r e y n o l d s 应力模型、 微分r e y n o l d s 通量模型、s s t 模型和大涡模型。 3 较高的求解精度 和大多数c l d 软件不同的是，【除了可以使用有限体积法之外，还采用 了基于有限元的有限体积法。基于有限元的有限体积法保证了在有限体积法的 守恒特性的基础上，吸收了有限元法的数值精确性。在c l 中，基于有限元的 有限体积法，对六面体网格单元采用了2 4 点插值，而单纯的有限体积法仅采用 6 点插值；对四面体网格单元采用6 0 点插值，而单纯的有限体积法仅采用4 点 插值。在湍流模型的应用上，除了常用的湍流模型之外，a 还最先使用了大 涡模拟( l e s ) 和分离涡模拟( d e s ) 等高级湍流模型。图2 1 就是一个风机的流 场分析实例。 图2 1 风机的流场分析 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3p a t r a n m s c s o f h 缸e ( m a c n e a l s c h w e n d l e rc o r p o r a t i o n ) 公司创建于1 9 6 3 年，总部 设在美国洛杉矶，是享誉全球的最大的工程效验、有限元分析和计算数值模拟 应用软件( c a e ，c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i i l g ) 供应商之一，也是大型通用结构 有限元分析软件m s c p a 虹姐的开发者： m s c p a 垃粕是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统，最 早由美国宇航局( n a s a ) 倡导开发，是工业领域最著名的并行框架式有限元前 后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、 结果评估、用户化和交互图形界面集于一身，构成一个完整的c a e 集成环境。 m s c p a t f a i i 作为一个优秀的前后置处理器，具有高度的集成能力和良好的适用 性，主要体现在以下几个方面：模型处理智能化；自动有限元建模：分析的集 成；用户可自主开发新的功能；分析结果的可视化处理。 2 3 1m s c p a t r a n 的主要特点 1 开放式几何访问及模型构造 m s c p a 仃柚采用符合o p c ns o f h a r ef 0 u n d a t i 鲫( 0 s f ) m 0 t i f 标准的全新图 形用户界面，直观的鼠标驱动菜单和表格系统可用于输入命令。友好的用户界 面条理清晰，最多不超过三级的菜单按“事件”激发，用户可随意接通任何分 析任务。丰富的电子表格和多功能屏幕拾取选择可用于输入和管理数据。 m s c p a 仃觚作为著名的分析前后置处理器，其本身不但可以作为一个完整 的应用系统独立运行，进行各种复杂模型的实体建模，而且可以配合不同需要， 选用不同模块完成不同的工程分析。m s c p a 廿柚使用独有的几何模型直接访问 技术( d i r e dg e o m e t r ya c c e s s ，简称d g a ) ，用户可以直接在m s c p a t r 锄框架 内访问现有c a d c a m 系统数据库，读取、转换、修改和操作正在设计的几何 模型而无需复制。m s c p a t r 姐开发了和著名的。国软件( 例如p r o e n g 玳e e r 、 u i 酉a 曲i c s 、s o l i d e d g c 、s o l i d w b r k s 、m e a s 、g 如a 和a u t o c a d 等) 的接口， 同时支持不同的几何转换标准，包括：p a r a s o l i d ，a c i s ，s t e p ，i g e s 等格式， 而在新的版本中，m s c p a t r 锄甚至可以直接读取a 叮n 的几何模型文件。 2 各种分析的集成 作为优秀的前后处理器，m s c p a 仃趾提供了按“事件分类”的分析解算器 武汉理工大学硕士学位论文 选择功能，使m s c p a t r a n 的分析集成系统达到一个崭新的水平。分析选择可以 根据不同分析软件设置不同的工作环境，可以满足用户对使用效益和集成的要 求，而无需再像以前那样当一个模型要进行不同的分析时必须针对不同的分析 软件的特点重复建模。m s c p a t i a n 界面内可以直接选择的求解器如表2 1 所示。 表2 1m s c p a t n 可以直接选择的求解器 m s c n 够t r 姐 m s c f u p e 姆 m s c f a t i g i l e m s c d y t r a n m s c f v i s i o n s t a r - c d m s c d r o p t e s t c f xf 1 u e n t m s c m a r ca b a q u s a n s y s m s c f i l g h t l o a 凼衄dd ”a m i c s l s d y n a 3 dp a m c r a s h s a m c e fs i n d a 3 有限元建模 m s c p a t 啪提供了功能全面、方便灵活的可满足各种分析精度要求的复杂 有限元建模功能。其综合、全面、先进的网格划分技术，为用户根据不同的几 何模型提供了多种不同的生成和定义有限元模型工具，包括多种网格划分器、 有限元模型的编辑处理、单元设定、任意截面建模、边界和载荷定义以及交互 式计算结果后处理。 4 分析条件定义 m s c p a 仃肌全面的分析模型定义功能可将各种信息( 单元、材料、载荷及 边界条件等) 直接加到有限元网格或任何c a d 几何模型上。如果分析信息定义 到。如几何模型上，单元、材料特性、载荷和边界条件将与几何保持相关性， 并且当网格改变或者修改时无需重新定义。 5 结果交互式可视化处理 m s c p a t r a n 提供了多种计算分析结果可视化工具，帮助工程师灵活、快速 地理解结构在载荷作用下复杂的行为，如结构受力、变形、温度场、疲劳寿命、 流体流动等。分析的结果同时可与其他有限元程序联合使用。 2 3 2m s c p a t r 柚的一般使用流程 m s c p a t r 孤的一般使用流程，归结起来如下： 1 前处理： 前处理的目的是建立有限元模型，该有限元模型应包含节点、单元类型、 武汉理工大学硕士学位论文 材料特性、边界条件、载荷特性等多方面的内容。既可以在m s c p a 仃a n 软件提 供的环境下建立几何模型，也可以应用其它的建模软件建模，然后再通过通用 的数据格式进行转换。在前处理中，有限元模型的建立及其单元的划分是主要 的工作。二维有限单元可以是四边形，也可以是三角形，对应的三维有限单元 可以是六面体，也可以是四面体。每个单元在整个网格中均有自己的编号，即 单元号，单元的每个顶点称为节点( 本文所述的节点均指有限元节点) ，也有相 应的编号，称为节点号。理论上，单元划分得越小，计算精度也就越高，但是 这样会大大增加计算的时问消耗和所需要的计算机资源。为解决此矛盾，一般 情况下，可在形状复杂，温度或应力等变化剧烈的区域，将单元划分小些，其 它地方则将单元划分粗些，单元由小到大应逐步过渡。并且，三角形单元最好 是接近等边三角形，尽薰不要出现钝角，如若出现钝角三角形，最长边要小于 最短边的三倍，否则会大大影响计算精度。对于矩形单元，各边也不宜相差太 大，长度越接近，计算的精度越高。 2 求解 设置与计算相关的求解程序及参数，提交给解算器( m s c p a t r 锄的基本解 算器是m s c n 舔t r 蛆，也是缺省的设置) 。根据问题的不同类型，需要采用不同 的求解算法，使其在满足方程具有有效解的情况下，还应具有很快的求解速度 和很高的精度。 建立几何模型、划分网格i 山 定义时间相关工况 i 定义非空间场l 定义约束 i 定义载荷 l 设置参数、提交分析 士 读取分析结果进行后处理i 图2 2 为m s c p a t r a n 中频率响应分析的流程图。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 后处理 有限元的计算结果提供的仅是具有位移的节点和具有应力的单元的数字信 息，仅仅对数字信息进行分析有时很难看到问题的全貌，通过后处理，可以用 平面曲线图、符号图、动画、云纹图等很多形式来分析结果，这些形式准确、 生动，让人看了一目了然。 2 4n a s t r a n m s c n 觞t 啪作为m s c p a 缸韧的基本解算器，具有近7 0 余种独特的单元库。 所有这些单元可以满足m s c n a s t r 姐各种分析功能的需要，且保证求解的高精度 和高可靠性。 m s c n a s t r 蛆的主要功能如下： 1 静力分析 主要用来求解结构在静力载荷( 如集中，分布静力、温度载荷、强制位移、 惯性力等) 作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束( 反) 力、 单元内力、单元应力和应变能等。 2 屈曲分析 屈曲分析主要研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载 荷。 3 动力学分析 结构动力分析不同于静力分析、常用来确定时变载荷对整个结构或部件的 影响，同时还考虑阻尼和惯性效应的作用。全面的m s c n 硒t r a n 动力学分析包括 正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、声学分析、随机响应分析、 冲击波分析、动力分析、灵敏度分析。 4 非线性分析 在很多情况下，结构响应与所受的外载荷并不成比例。由于材料的非线性 及接触的存在，就要牵扯到非线性问题。要解决这些问题，就必须考虑材料、 几何特性、边界和单元等非线性因素。 5 热传导分析 热传导分析通常用来校验结构零件在热边晃条件或热环境下的产品特性， 利用m s c n a s t 删1 可以计算出结构内的热分布状况，并直观地看到结构内潜热、 武汉理工大学硕士学位论文 热点位置及分布。可根据计算结果改变发热单元的位置、提高散热手段、绝热 处理或其他方法优化产品的热性能。 6 空气动力弹性及颤振分析 气动弹性问题是航空航天工业中非常重要的问题之一，涉及气动、惯性及 结构力间地相互作用，求解比较复杂。m s c n a s t r 趾的气动弹性分析功能主要包 括：静态和动态气弹响应分析、颤振分析及气弹优化分析。 7 流一固耦合分析 流一固耦合分析主要用于解决流体和结构之间的相互作用效应。 m s c n 觞t 啪中拥有多种方法求解流一固耦合分析问题，包括流一固耦合法、水 弹性流体单元法、虚质量法。 8 多级超单元分析 超单元分析是求解大型问题的一种十分有效的方法，主要是通过把整体结 构分化成很多小的子部件来进行分析，即将结构的特征矩阵( 剐度、传导率、 质量、比热、阻尼等) 压缩成一组主自由度，类似子结构方法，但与其相比具 有更强的功能且易于使用。 9 高级对称分析 针对结构的对称、反对称、轴对称或循环对称等不同的特点，m s c n a s t r 强 提供了不同的算法。类似超单元分析，高级对称分析可大大压缩大型结构分析 问题的规模，提高计算效率。 1 0 计算零敏度及优化分析 设计优化是为满足特定优化目标( 如最小重量、最大第一阶固有频率或最 小噪声级等) 的综合设计过程。 2 5s y s n o i s e u 3 u nm b s u r e m e n ts y s t e m q 1 1 i r n 棚o n a i ，简称i m s ，是 比利时的一家著名的振动和声学方面的测试分析软件公司， s y s n o i s e 是该公司 的一个核心声学计算分析商品软件，是全球声一振领域的设计、故障诊断、优 化的先驱，功能非常强大，可以从空腔的声场预测到环绕物体的声场分析，甚至 可以计算声场作用下结构的响应，从而帮助用户优化产品的声一振特性。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 5 1s y s n o i s e 的主要功能 1 结构声辐射计算 这是最基本的功能。结构振动时会产生声辐射。结构振动可以是实际测得 的速度响应数据，或者是由有限元或其他方法计算得到的速度响应数据。 s v s n o i s e 本身具有振动响应的有限元计算功能，也可以根据测得的模态数据和给 定的激励计算速度响应；s y s 舯i s e 可以进一步利用这些数据计算结构表面的声 压，以及进行结构周围的声场分析；它还可以计算结构强迫振动响应和由此产 生的声场分析。图2 - 3 是一个扬声器的声场计算实例。 图2 3 扬声器的声辐射 4 散射计算 声波在传播的过程中碰到结构物会发生反射和绕射。s v s n o i s e 具有声波在传 播过程中碰到结构物后的声场计算功能。 5 空气噪声传递计算 声源发出的声波遇到结构物时将被发射、吸收和传递，同时激励结构物导 致振动加剧。s v s n o i s e 具有声的传递损失特性计算功能，也提供在空气动力噪声 激励下的结构振动特性计算功能。 6 结构一声场耦合系统的响应灵敏度分析 结构一声场耦合系统的响应灵敏度分析的作用是指出结构哪些部位、哪些 参数对声辐射功率影响最大，哪些材料吸声特性最佳。灵敏度分析中的参数可 以是声学设计变量，如声压，速度等，也可以是结构变量，如板的厚度。 7 声学测试和计算结构之间的相关分析 结构一声场耦合系统的优化设计首先需要有一个比较可信的计算模型，因 武汉理工大学硕士学位论文 此就要进行二者的相关分析。s y s n o j s e 提供了这样的相关分析功能。 8 声学设计 s v s n o i s e 可用于各种低噪声产品的声学设计。 2 5 2s v s n o i s e 运用的计算方法 s y s n o j s e 运用的计算方法主要是声学有限元法，声学无限元法，直接边界元 法和间接边界元法。 声学有限元法适用于室内噪声分析计算。可以运用有限元法模拟计算各种 声学介质( 例如，流体、穿孔板等) ，计算固有频率、声模态，在频域或时域中 计算空腔的声模态和声振耦合响应，并且考虑流体效应。 无限元法主要用于外声场计算，能够考虑流固耦合。 边界元法适用于内声场和外声场计算。例如，结构物表面或声场中任意点 在频域或时域中的响应；声传播时的声散射物体；声学辐射模式；声传播途径 分析和噪声源分析等。 2 5 3s v s n o i s e 的前、后处理 s y s n o i s e 除了自身的前处理功能外，与其他几乎所有著名的有限元软件都 有界面程序连接，可以读取有限元模型数据，如果需要，还可以将它们转换为 无限元或边界元模型。这些软件包括：n 鹤t m ，p a t r 姐，l m s c a d a x ，a n s y s ， 1 d e a r s ，地q u s 等，不仅可以从这些软件读取模型数据，还可以从这些软 件中读取模态、表面振动速度等计算结果。s y s n o i s e 能够自动将有限元模型转换 为边界元模型，提高了建模效率。 在前处理中，s y s n o i s e 能够自动检测所建立的模型是否和所选择的计算方法 相匹配，并且能够产生模型的声辐射表面。一般而言，测试点远远少于声学模 型的网格点，s v s i s e 能够将测试数据扩展到所有网格点上。 s y s n o i s e 的后处理功能非常强大，具有三位模型图、彩色等高图、动态变形 图等很多生动的表达形式，可以和任一有限元软件的后处理功能相媲美，能够 提供几乎所有的工具让用户进行后处理，例如，声压、声强、声功率、灵敏度 等图象的绘制，窄频段和三分之一倍频程图形的绘制，极坐标图绘制声学指向 性计算结果。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章离心泵的内部流场分析 离心泵【2 1 。】振动产生的原因很多，其中径向力是一个主要原因。而径向力 产生的主要原因是由于叶轮的旋转，造成蜗壳上面的压力不平衡，因此产生了 径向力。而叶轮是离心泵的关键部件，进行叶轮通道内部流动分析【4 叫和研究 既可以分析出离心泵内部速度分布，又能计算出蜗壳内部压力。虽然目前关于 离心泵的蜗壳内部流场已经有比较详细的研究，但是大多数只是对它的流速进 行分析，以便进行扬程和功率的提高等等，而对于内部径向力进行分析，以便对 离心泵进行减噪却没有。本章通过软件c f x 5 7 1 ( c f d 软件中的一种) 进行离心 泵流场分析，在此基础上确定了蜗壳所受径向力的变化，为以后的振动及噪声 辐射计算打下了基础。 3 1 控制方程 离心泵叶轮内部流场计算所用的方程是以n s 方程及其简化形式为主的 方程组。由于直接求解n s 方程目前尚不可能，所以只得求解简化的n s 方程。 从5 0 年代到现在，伴随着计算流体力学【“、紊流理论【”1 和计算机技术的 发展，叶轮内部流场计算所采用的控制方程主要经历如下四个阶段： ( 1 ) 无粘流动 在5 0 年代到8 0 年代受计算机能力和计算技术的限制，在流体工程领域， 人们根据不同问题的特征采取不同的可进行假设简化的控制方程，这对于减少 计算量、降低储存要求和提高求解效率有很大意义。如水力机械内部流动的雷 诺数都比较大，对设计工况和设计工况附近的加速或弱速非分离流动、水流粘 性的影响仅限于非常薄的边界层之内，若不分析通流部件的损失特性，可忽略 水流的粘性的作用，这样水力机械内部的流动遵循无粘的e u l c r 方程。若在无粘 的基础上进一步假设其内部流动是无旋转的话，流动控制方程就进一步简化为 势流的l a p l a c e 方程。从5 0 年吴仲华教授提出两面流理论到7 0 年代以前，二维 势流计算方法始终占据了统治地位，数值离散的只要方法势有限元法、差分法、 边界元法和奇点分布法，但其只能对导叶、叶栅进行简单的流动分析，局限性 武汉理工大学硕士学位论文 很大：从8 0 年代初发展起来了三维势位流动计算方法，它能较好的反映水力机 械叶轮中的三维性，特别是对大中型水轮机，在设计工况附