家用割草机壳体的外辐射声场分析

戴 林

南京农业大学，江苏南京 210095

家用割草机壳体的外辐射声场分析

戴 林

南京农业大学，江苏南京 210095

有限元方法是现代工程结构设计分析中一种快捷、有效的辅助计算分析工具。在理论分析方面，建立小型家用割草机壳体的有限元模型，利用ANSYS软件对模型进行模态分析，得到其结构外部声场特性，包括壳体的模态和振型等。在此基础上，利用声模态理论对壳体外声场压分布进行了分析讨论，为工程结构的减震降噪设计提供了可靠的数据。

有限元；工程结构；壳体；模态分析；辐射声场

1 概述

1.1 问题的提出及研究意义

2000年7月3日，欧共体官方公报发布了成员国有关户外使用的设备环境噪声的法规2000 /14 /EC指令，其中对电动工具、家用及类似用途电器的噪声测量方法及限值做了明确规定。规定自2006年1月3日起，草坪割草机A 计权声功率级不得大于94dB，比现行标准低2dB[1]。这对我国出口欧洲的割草机提出更高要求。我国企业生产的家用电动草坪割草机要继续销往欧洲市场，就必须达到新的标准。

1.2 有限元法技术概况

有限单元法第一个工程上成功的尝试是对于飞机结构的分析，20世纪50年代，波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得成功。初期的有限单元法是建立在虚功原理的基础上[2]。1963年～1964年Besseling、Melosh 和Jones 等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法，扩大了有限元方法的应用范围[3]。

1.3 有限元法在工程结构外辐射声场分析方面的研究概况

为了在当前激烈的市场竞争和巨大的内外环境压力下，提高企业的应变能力和竞争能力，外国研究人员提出了一种研究方法以 CAD/CAE 为基础的模拟分析计算方法。随着计算机技术的快速发展，CAD/CAE 技术在各设计部门起着越来越重要的作用，有限元法作为 CAD/CAE 技术的一种，最初是在20世纪50年代作为处理固体力学问题的方法出现的。在研究振动噪声方面，有限元法作为一种重要的方法，受到了广大工程技术人员的青睐。

2 割草机壳体有限元建模

2.1 建模和分析软件

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口实现数据的共享和交换。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场以及碰撞等问题。因此它可以应用于以下工业领域：航天航空、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电子系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网络划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式或输出。

2.2 割草机壳体3D模型

本文使用ANSYS直接建模，使用割草机模型的APDL语言，按照步骤逐步生成割草机的模型。通过坐标的方法先建立割草机外壳体，然后依次建立四轮，建立排草孔，前轮轴孔，后轮轴孔，后轮轴孔，以及为割草机边上倒圆角。割草机结构由许多自由曲面和有许多小结构构成，在不对结果产生很大影响的前提下对其进行简化处理。简化处理会使几何模型所表达的力学性能与其实际结构力学性能之间存在误差，并对以后的声模态分析结果造成影响。要将此误差控制在精度许可范围内，必须在简化时认真分析其特点功能，以便进行适当处理。因此，简化模型时要根据CAE分析的目的，分析各零件几何特征，据其对研究结果的影响程度大小进行取舍，尽量去掉对研究结果影响较小的几何特征。以使所建模型既能保证分析精度、又能控制计算规模，做到精度与效率兼顾。根据ANSYS有限元分析软件的计算需要和要求，在不影响精度的前提下对割草机壳体进行必要的简化。忽略车身上用于装配其他部件的螺钉、螺母和各面与面之间较小的倒圆，以及对力学结构影响较小的冲压筋、孔和一些工艺结构等。

2.3 割草机壳体参数设置和网格划分

割草机的机壳材料为聚丙烯，密度为0.9g/cm3，弹性模量为1.3GPa，泊松比0.38。机壳的厚度为2.5mm，对其采用面建模的方式，用壳单元she ll63划分网格。电机用集中质量单元mass21代替。根据给出的参数，定义单元类型，定义单元实常数，定义外壳材料参数。在完成文件工作名后，设置第一类单元类型为“Structural shell”和elastic4node63，然后设置第二类单元类型为Structural Mass和3Dmass21。定义单元实常数及材料属性，定义第一类单元实常数为2.5，此条命令目的是确定割草机壳体的厚度。因为ANSYS中没有定义任何一套单位制，单位制的使用全在操作者自己掌握，关键是操作者在使用各个量的单位时必须统一[5]。国际单位制是大多数人的选择。如长度单位为米，质量单位为千克，物质的量单位为摩尔等。材料属性设置为密度为0.9g/cm3，弹性模量为1.3GP，泊松比为0.38。之前已完成模型的导入与网格划分等工作，设置“网格单元尺寸”为0.1m，对体进行自由划分网格。

3 割草机壳体的模态分析

3.1 模态分析概况

割草机壳体是由车身壁板围成的封闭空腔，声学系统的振动模态是以声压分布为特征的。在20Hz～200Hz是一个值得重视的特殊频段，因为20Hz是能听到的最低频率，而200Hz以下频率是车身结构振动引起的壳体噪声集中的频率，在如此低的频率范围内，常规的吸声降噪措施作用不大。为解决这个问题，首先要对割草机壳体进行声学动态特性分析。

3.2 模态分析步骤

3.2.1 建立模型

如前所述，根据给出的参数，定义单元类型，定义单元实常数，定义外壳材料参数。然后合理的划分网格，得到需要多的单元和节点，生成割草机壳体的模型。生成质量块单元，由于第二类单元类型表示电机质量，所以需要另外处理。

3.2.2 加载求解

接着进入分析计算模块对其求解。分析类型设置为modal（即模态分析）。

3.2.3 模态计算结果分析

进入计算，并计算出其前10阶的模态频率和模态振型。对割草机壳体进行模态分析，可以得到它固有的模态频率和振型。再通过设置些参数即可查看各阶计算出来的模态频率和模态振型。模型中不同的颜色代表相对位移，据此可以看出，割草机声学模型中是以位移变化为主要模态的壳体声学模态。从各阶模态振型中可以看出，由于割草机壳体的横向对称性，割草机上的各阶模态振型具有左右对称的特点。割草机壳体从第一阶时具有振型，频率从4.55Hz开始向上增加。

4 割草机壳体的外辐射声场分析

4.1 建立模型

建立简易3D模型：

割草机壳体的外辐射分析是一种耦合场分析，需要考虑两个工程物理量场之间相互作用的分析。进行外辐射声场分析时，因为要与空气发生耦合，之前的模型产生的耦合界面过多，不易选取和计算，所以指导老师建议将模型进行再一次的简化。这次我们就选取割草机的壳体作为模型，舍去四轮、排草孔、前轮轴孔、后轮轴孔。定义单元实常数及材料属性，定义第一类单元实常数为2.5，此条命令目的是确定割草机壳体的厚度。定义第三类单元实常数为0.3。定义割草机壳体材料属性，设置为密度dens为0.9g/cm3，弹性模量ex为1.3GP，泊松比nuxy为0.38；定义空气介质属性，设置为密度dens为1.21，声速SONC为344m/s。

4.2 划分模型网格

将网格的大小定位40。选择划分的项选取Area，然后选取割草机的六个平面，划分网格。再对半球进行划分网格时，要选择半球的单元类型，实数已经材料属性。我们要对半球的体volums进行划分。选择划分的长度为100。随后加载和求解，即可得出结论。

4.3 计算结果和分析

经ANSYS求解，则可得到声压最大值和最小值。

5 结论

在该有限元模型基础上，论文首先对割草机壳体进行模态分析，获得了割草机壳体的固有振动特性，包括特定的固有频率、阻尼比和模态振型。了解割草机上的薄弱部分和需要改善的地方。

在模态分析的基础上，我们对割草机的外辐射声场进行了详细的分析，我们知道了割草机在不同频率下的声压分布和结构的固有频率。

[1]吴恺民.欧盟2000/14/EC指令对于空气中辐射噪声测试的规定[J].电动工具，2005(1)：18-21.

[2]Kang，John.Hon.On the accuracy of nearfield pressure predicted by the acoustic bound-ary element method[J].Journal of Sound and Vibration，2000，233(2)：353-358.

[3]韩西，钟厉，李博.有限元分析在结构分析和计算机仿真中的应用[J].重庆交通学院学报，2001(20)：124-126.

[4]李修平.基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D].武汉：华中科技大学机械工程学院，2005：25-30.

S817

A

1674-6708（2011）53-0070-02