车载扬声器结构静动力学有限元分析

2020-12-28葛鑫鑫黄辉祥

汽车零部件 2020年12期

葛鑫鑫，黄辉祥

(南京工程学院机械工程学院，江苏南京 211100)

0 引言

扬声器是将电能转化为声能的专用器材，其主要功能便是实现能量形式的转化[1]。在汽车上的诸多因素，譬如空间狭小不规则、行进中的颠簸碰撞等不利条件，对扬声器脆弱的结构有不小的考验，通过对其受力和跌落时的受力情况进行正确的计算和仿真[2]，以此提高车载扬声器的动静力学性能[3]。同时进行模态分析可得到固有频率[4]，为扬声器机构设计提供依据。

1 扬声器的结构介绍

扬声器经过渲染的装配体模型如图1所示。

图1 扬声器正面及其渲染图

扬声器的爆炸视图可以更好地观察其结构组成，如图2所示。

图2 扬声器的爆炸视图

图2中部件的结构材料属性见表1。

表1 扬声器材料属性和特性参数

2 扬声器的有限元跌落仿真分析及其结果对比

支架的整体外部结构包括一部分的海绵、钣金部分以及薄膜等，在省去了海绵和线圈模型的同时，进行了两个角度跌落过程的模拟分析，跌落角度如图3和图4所示。跌落角度1是支架侧边跌落和刚性面直接接触，受重力作用;跌落角度2是45°侧边角和刚性面直接接触，也受重力作用。

图3 跌落角度1的载荷方向

图4 跌落角度2的载荷方向

两种情况下跌落瞬间的跌落高度都是1 m，由此可知跌落到刚性接触面时的速度是4.427 m/s。结合装配体的结构特性以及计算的效率，文中设计所选择的单元类型是ABAQUS的单元库当中的C3D8R，即八结点线性六面体单元，为了确保运算过程精准和程序运行过程中的收敛性相关要求，需要对部分网格进行细化，如图5所示。

图5 支架的跌落有限元分析网格

2.1 接触相关定义

各零部件之间采用绑定约束使其在跌落碰撞过程中仍保持整体，扬声器和地面存在着非线性的作用性质，需要正确定义两个结构表面的接触作用。主面应当选择刚性面，从面应当选择支架，如图6所示。

在跌落角度2的情况下，其余定义均相同，仅仅需要将装配角度稍加调整，具体的接触定义如图7所示。

图6 表面接触的主从面选择

图7 跌落角度2的接触定义

2.2 边界条件定义

图8 角度2的重力场与速度示意

2.3 分析结果

(1)跌落角度1的分析结果

各个模块确认无误，跌落角度1的分析模型如图9所示。支架所受到的最大应力为361.1 MPa，小于材料的强度需求366 MPa，结构强度合格。跌落角度1的应力分布云图背面图如图10所示，最大值用标识引出，方便读者观察。

(2)跌落角度2的分析结果

条件确认无误，跌落角度2的云图如图11所示。在云图中可以清晰地观察到圆弧边的应力最大，最大应力值为349 MPa，如图12和图13所示。最大应力同样小于材料的屈服极限，符合要求。

图9 跌落角度1应力图

图10 跌落角度1背面应力分布云图

图11 跌落角度2的正面应力云图

图12 跌落角度2应力云图剖视图

(3)其他角度

由于支架结构的对称性，经由跌落角度1和跌落角度2便可合理地推导出扬声器在实际应用中支架受力能否符合力学要求，由于支架对于扬声器内部部件如音圈杆、锥形薄膜和线圈等的保护更为重要，因此可以得出扬声器整体承载结构合格的结论。

图13 跌落角度2背面应力云图

3 车载扬声器的有限元模态分析及其结果对比

进行模态分析时，需要将零件之间的相互绑定的约束保留，因为其为统一的装配体，使用了约束模态的分析方法，因此需要对4个安装孔进行固定约束，这样才能得到相对准确的约束模态分析，具体约束位置如图14所示。

图14 扬声器约束位置示意

计算机运算之后，观察前12阶模态分析结果，汇总结果见表2。

表2 车载扬声器前12阶模态固有频率的计算分析结果

大多数情况下只会特别在意结构低阶的固有频率或者是某些特定阶的频率，原因便是结构自身固有频率倘若越小，就更加轻易会由人为的条件或者天然的条件所刺激[5]，因此只绘制出了前4阶振型如图15所示。此外还有的时候结构会在特定激励如转速等的条件下进行工作运行，所以对于一些特定工作情况下的阶数，也需要多多注意。