消声器性能三维有限元计算

1、 消声器性能三维有限元计算王耀前 , 金 鑫 , 薛 峰(郑州宇通客车股份有限公司 , 河南 郑州 450016摘 要 :运用 ANSYS 分析软件对某消声器进行模拟 , 通过模拟计算出消声器的插入损失和传递损失 。 将计算结果和试验结果比较表明 , 效果良好 。关键词 :消声器 ; 有限元法 ; 声压分布Abstract:W ith s oft w are ANSYS, a muffler is si m ulated and inserti on l oss (I L trans m issi on l oss (T L calculat 2ed 1By comparing si m ul

2、ati on with experi m ent, the results show that values measured values 1Key words:M uffler; Finite ele ment 中图分类号 :B :100623331(2005 0320023203 , 降低噪声的 要求越来越高 。 目前降低和控制汽车排气噪声最有 效的途径是安装消声器 。 消声器的设计方法主要有 声传递矩阵法和有限元方法 。 其中有限元方法是根 据变分原则求解数学物理问题的一种数值方法 , 是 分析复杂形状系统动态特性的有效工具 。 本文采用 ANSYS 有限元软件对抗性消声器的声学性能进

3、行了研究 。1 数学模型的建立111 基本假设为研究问题的需要 , 特作如下假设 :(1 消声器中的媒质为理想流体 ; (2 媒质中传播的是小振幅声波 ; (3 声传播是一个绝热过程 ;(4 媒质的静态压强和静态密度都是常数 ; (5 消声器为刚性壁管组成 , 声波不会透过壁管向外辐射 。 112 数学模型的建立图 1为本文所研究的抗性消声器所示的几何模 型 。 其整个边界分成三部分 :入口边界 S 1、 出口边 界 S 2和周侧边界 S 3 。图 1 轴对称抗性消声器示意图由抗性消声器在域 内的三维波动方程 :2p =c 225t2式中 2 三 维 拉 普 拉 斯 算 符 ; p 声 压 ;

4、 c 声波传播速度 。通过变分原理推导求解可得该抗性消声器的数 学模型2p +k 2p =0区域 内 n =j 边界 S 1上 5n=0边界 S 2+S 3上 式中 k 波数 , k =/c; j 虚数 , j =-1; 圆频率 , =2f; f 为声波频率 ; 介 质中的质点速度 。消声器的插入损失和传递损失公式分别为 :I L =20lgAZ r +Bc +(CZ r +Dc A Z r +B c +(C Z r +D c T L =202(A +Dc S 0 C S 0c B 式中 A 、 B 、 C 、 D 和 A 、 B 、 C 、 D 消声器装置前 后的四端子参数 ; 介质密度 ;

5、 Z r 管口辐射 阻抗率 。2 消声器声场的有限元建模211 插值函数的选取ANSYS 软件具有较强的声场分析功能 , 不仅可以对结构 (内 不同频率处的声场进行计算分析 , 而且可以对耦合声场进行计算分析 。 分析消声器内部 声场的声学特性时 , 插值函数选用等参数八节点单32 设计 计算 研究 客 车 技 术 与 研 究 2005年 第 3期 元 (四面体单元 , 其形函数为 :N i (, 4(1+i (1+i (1+i (i =1, 2, 8式中 、 、 局部坐标系 中单元上任意一 点的坐标 ; i 、 i 、 i 局部坐标系 中节点 i 的 坐标值 , 即 :i =±1;

6、 i =±1; i =±1消声器内部任意一点的声压可表示为 :p = ni =1N i p i =N pe式中 n 单元的节点数 ; p e 节点声压矩阵 ; N 单元形函数 (插值函数 矩阵 212 有限元模型的建立ANSYS 理 、 加载 、 模 , , 。 本文在分析 消声器的声学特性时 , 采用了直接模拟和间接模拟 两种方法 :直接模拟即根据消声器插入损失的定义 计算插入损失 ; 间接模拟是根据声学四端网络法计 算插入损失和传递损失 。 图 2和图 3分别为消声器 的直接模拟模型和间接模拟模型 。(a 有消声器模型(b 无消声器的直管模型图 2 消声器插入损失直接模

7、拟模型图图 3 消声器间接模拟模型图3 消声器的计算实例运用 ANSYS 对图 4所示的复杂结构消声器进 行求解分析 。 设材料的特性参数为 :结构单元 , 其物质的密度 为 7600kg/c m 3, 物质的弹性模量 E 为 211×107Pa; 声学单元 , 流体的密度 为 1122kg/c m 3, 流体的速度为 1460m /s 。图 4 复杂结构消声器模型注 :上图为半剖图 , 下图为剖视图加载后求解出上述消声器的四端子参数值 , 进 一步求出消声器的插入损失 I L 和传递损失 T L, 如 图 5和图 6所示 。图 5 消声器间接模拟时的插入损失曲线图 6 消声器间接模

8、拟时的传递损失曲线根据消声器直接模拟模型求解出安装消声器时 的出口端声压与未安装消声器时出口端声压 , 根据42 第 3期 2005年 客 车 技 术 与 研 究 设计 计算 研究 消声器插入损失的定义可求解得消声器的插入损 失 。 如图 7所示 。图 7 消声器直接模拟时的插入损失曲线图 8 消声器实验结果与 ANSYS 结果对比图 7表明 , 该消声器直接模拟结果与四端子参数的间接模拟结果比较吻合 , 两者在某些频率处有些差异 , 但从总体看 , 两者还是比较一致的 。 这也说 明本文的直接模拟方法是可行而方便的 , 对于预测排气消声器消声量有一定的指导作用 。 该消声器的 实验是采用双传

9、声随机激励法 。 实验结果如图 8所 示 。 从图中可看出 , 在整个频域内 , 有限元计算值与 实验测试值在量值大小和变化趋势都比较一致 。 这 说明 ANSYS 有限元计算消声器的方法可靠 。4 结束语本文运用 , 。并 , 计算出插 , 。 参考文献 :1黎志 勤 , 黎 苏 1汽车 排 气 系 统 噪 声 与 消 声 器 设计M.北京 :中国环境出版社 , 1991.2高书移 , 张庆才 , 等 1客车降噪分析与设计 J 1客车技术与研究 , 2004, (2 :11214.3蔡超 1轴对称抗性消声器四端子参数有限元单元法求解 J 1江苏工学院学报 , 1986(34王耀前 , 陆森林

10、 1ANSYS 在抗性消声器分析中的应用J 1江苏大学学报 (自然科学版 , 2003(3修改稿日期 :2004206221“ 中欧客车设计论坛 ” 征文启示为推进中国与欧洲客车设计合作与交流 , 利用两年一度的世界客车博览会 (Bus world 的举行 , 在这个全球规模最大 、 最具影响力和权威性的客车及商用车专业展览会期间 , 组织中欧客车行业相关设计公司与研究 机构 , 共同探讨合作设计与交流设计思想 。“ 中欧客车设计论坛 ” 组织中欧客车设计与与制造企业及技术人员参加论坛活动 , 客车技术与研究 杂 志将出版论文专辑 , 入选论文作者将被邀请参加 “ 中欧客车设计论坛 ” 。主办

11、单位 :交通部客车技术信息网 、 中国汽车城网站 、 世界客车联前盟 (BAAV 媒体支持 : 客车技术与研究 编辑部 论坛主题 :中国客车设计的理念 、 实践 、 设计技术 、 生产工艺 、 企业管理以及主要配套部件欧洲客车设计的理念 、 实践与设计技术 中国与欧洲客车市场的需求 中欧客车设计的联合之路论文征集 :欢迎提交相关主题的论文入选论文将收录 客车技术与研究 杂志 (专辑 中 , 作者将获得当期杂志一册 入选论文作者将受邀请参加 “ 中欧客车设计论坛 ” , 免会议注册费欢迎踊跃投稿 。 一般来稿不宜超过 5000字且从未在正式刊物上发表过 ; 文稿撰写 (文 、图 、 表均为 word 文档格式 完成后发至 btrcq163. com; 须在正文前加 100200字的中 、 英文摘要以及 35个中 、 英文关键词 ; 来稿请注明全部作者单位 、 地址 、 邮编及第一作者的电话或 E 2mail, 并需在文中特别注明 “ 征稿论文 ” , 以避免混淆 征文截止时间 :2005年