搞聲振響應(yīng)預(yù)示的人都知道，傳統(tǒng)的預(yù)示方法為：低頻用有限元方法（如Virtual Lab、actran），高頻用統(tǒng)計(jì)能量方法（VA ONE），但這兩種方法存在各自的局限。傳統(tǒng)的有限元（FEA）為了滿足計(jì)算精度的要求，單元數(shù)會(huì)隨頻率的升高呈幾何級(jí)數(shù)增長，計(jì)算規(guī)模和時(shí)間也陡然增加；同時(shí)由于單元數(shù)量的劇增，形函數(shù)引起的局部誤差也會(huì)由于累積而被顯著放大，計(jì)算精度也得不到保證。因而不適合求解高頻振動(dòng)問題。統(tǒng)計(jì)能量分析法（SEA）雖然是現(xiàn)在做能量流分析的最成熟的方法，但也存在一定的局限性。由于統(tǒng)計(jì)特性的需求，較粗且合理的子系統(tǒng)劃分需要一定的經(jīng)驗(yàn)，這使其難以精確預(yù)示子系統(tǒng)內(nèi)局部位置的響應(yīng)，也就無法充分表征結(jié)構(gòu)的幾何特性，無法有效反映子結(jié)構(gòu)的非均勻阻尼特征或非均勻載荷特性，且不易進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)形態(tài)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

    在MSC Nastran 2010版本里，增加了用于中高頻聲振響應(yīng)預(yù)示的新方法——能量有限元方法的軟件模塊EFEA。能量有限元方法（EFEA）是用來預(yù)示結(jié)構(gòu)中高頻動(dòng)響應(yīng)的一種新方法，它視能量以波動(dòng)形式在結(jié)構(gòu)中傳遞，以有限元離散結(jié)構(gòu)，從而可得到結(jié)構(gòu)上所有感興趣點(diǎn)的能量及響應(yīng)信息，使結(jié)構(gòu)的局部幾何特性及阻尼特征可以得到充分表達(dá)，非均勻分布的載荷也能嚴(yán)格描述。而相比SEA來講，EFEA能夠?qū)植孔枘峄蚓植渴茌d結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)進(jìn)行預(yù)示，在獲取結(jié)構(gòu)中高頻局部響應(yīng)特性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢；EFEA的這些優(yōu)點(diǎn)使得它在分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，能夠深入反映結(jié)構(gòu)的復(fù)雜細(xì)節(jié)信息，非均勻結(jié)構(gòu)材料特征均能得到有效的考慮，因此EFEA是復(fù)雜結(jié)構(gòu)中高頻響應(yīng)預(yù)示的有效工具，是一種非常具有研究價(jià)值和發(fā)展前景的中高頻動(dòng)響應(yīng)預(yù)示方法。

    EFEA 目前能夠支持梁結(jié)構(gòu)單元、板、殼結(jié)構(gòu)等2D單元、3D聲單元，還包括一些特殊的單元如spring/isolator、acoustic treatment等。對(duì)于聲單元，EFEA 支持CHEXA (8-node)、 CPENTA (6-node) 、CTETRA (4-node) 單元。對(duì)于2D單元，EFEA支持CQUAD4 (4-node) 、CTRIA3 (3-node) 單元。對(duì)于1D單元，支持CBAR、CBEAM單元。這里我們用一個(gè)帶內(nèi)部聲場的簡單圓柱結(jié)構(gòu)介紹如何使用EFEA軟件，建立EFEA模型的基本步驟如下：

1、采用前處理軟件建立合適的有限元模型

    這里可以采用任意的有限元建模軟件如patran、hypermesh等。這里要說明的是，單元網(wǎng)格可以足夠粗，只要和幾何特征匹配即可。建模完成后，導(dǎo)出為MSC.NASTRAN的短格式文件，記住要做equivalence處理。文件中包含了單元節(jié)點(diǎn)信息，材料屬性信息。在這個(gè)例子中，同時(shí)包含了結(jié)構(gòu)單元和聲單元，記住，兩種介質(zhì)接觸部分的單元需要匹配，并用不同ID的重復(fù)節(jié)點(diǎn)來匹配。圖 1是圓柱結(jié)構(gòu)單元，圖 2是內(nèi)部聲單元，結(jié)構(gòu)單元和聲單元在接觸面處需要匹配，也就是說擁有相同位置坐標(biāo)，但節(jié)點(diǎn)ID不同。與之不同的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)單元和1D梁單元匹配時(shí)，則不需要這種操作。

圖 1 結(jié)構(gòu)單元

圖 2 聲單元

 

2、運(yùn)行能量有限元前處理器Pre-EFEA

    運(yùn)行能量有限元前處理器需要兩種輸入文件：步驟1 的有限元文件和軟件自帶的“data.inp” 文件。“data.inp” 文件展示如圖 3所示。

圖 3 “data.inp” 文件

“data.inp” 文件代碼 FILE example1.dat 是定義輸出文件名叫example1.dat，ANGLE 10.0 是定義板與板連接的判定角度為10°，DIST 0.001 是定義板與聲連接的判定距離為0.001。運(yùn)行pre_efea.exe ，程序?qū)⒏鶕?jù)“data.inp” 文件讀取有限元模型，獲取到模型的幾何信息，并將材料屬性修改為EFEA格式，建立組件之間的連接關(guān)系（PJOINT、BPJOINT）以及結(jié)構(gòu)與聲之間的連接關(guān)系（PAJOINT、APAJOINT）。

圖 4 pre_efea代碼定義的板-板連接（紅線）

pre_efea輸出的總結(jié)信息可以在“pre_efea.log” 文件中查看。

圖 5 “pre_efea.log” 文件

輸出的文件將包含所有EFEA格式的修改后的節(jié)點(diǎn)和單元，連接、材料（MPLATE、MBAR、MRIB等）、屬性信息（PLATE、 PBAR、RIB等）。

圖 6 “model-all.dat” 輸出文件的屬性定義部分

3、修改前處理輸出文件

用戶需要從前處理輸出文件手動(dòng)修改為后處理所需的輸入文件，提供以下信息：

l  激勵(lì)。如輸入功率、力、位置和頻率。用來定義激勵(lì)的EFEA卡片命令有：PLATEF, PLATEB, PLATEIP, PLATESH, ACOUS, ASOURCE, EDPLTB, EDPLTIP, EDPLTSH, EDACS, TBL。

l  材料屬性。如結(jié)構(gòu)、聲。用來定義材料屬性的EFEA卡片命令有：MPLATE, PACOUS, MBAR, MRIB, and MISO。

l  幾何屬性。用來計(jì)算輻射效率。用來定義幾何屬性的EFEA卡片命令有：PLATE, PBAR, RIB, ISO, EFEA_PS, and LGOPENING。

l  吸聲屬性。用來聲學(xué)設(shè)計(jì)。用來定義吸聲屬性的EFEA卡片命令有：TMMAT、TMDFACE。

l  求解器選項(xiàng)。METHOD命令。

l  輸出格式要求。用來定義輸出格式的EFEA卡片命令有：OUTFILE, OUTSTR, OUTACS, OUTBM, OUTDB, REFSPL，REFE。

圖 7 修改后“model-all.dat”

4、運(yùn)行能量有限元后處理器efea.cmd

這里需要在efea.cmd命令流中加入以下命令行：

EFEA  model-all.dat  outputfile

outputfile為自己定義的結(jié)果文件名。

5、在patran中查看計(jì)算結(jié)果

在步驟3中用了OUTFILE PATRAN 命令后，EFEA軟件會(huì)以PATRAN *.nod的格式輸出patran可以識(shí)別的結(jié)果文件。每個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè)頻域與工況，即你可以查看這個(gè)頻域下的響應(yīng)云圖，結(jié)構(gòu)結(jié)果包括彎曲波能量密度、縱向波能量密度、剪切波能量密度、法向速度，聲場結(jié)果包括聲能量密度、聲壓和聲壓級(jí)。而且將結(jié)構(gòu)和聲的結(jié)果分開，分別以“s_freq=XXX_subcase=YYY.nod”和“a_freq=XXX_subcase=YYY.nod”的格式命名。‘XXX’ 和 ‘YYY’對(duì)應(yīng)頻率值和工況。“snod.res_tmpl”和“anod.res_tmpl”為導(dǎo)入*.nod文件之前所需的模板文件。下面是操作步驟：

（1）將模型導(dǎo)入patran

l  將efea后處理文件復(fù)制到新的文件中

l  刪除“FREQ”, “SUBCASE” ， “ENDSUBCASE”命令行

l  將模型數(shù)據(jù)文件分割成結(jié)構(gòu)模型文件和聲模型文件。以PJOINT命令為界，前部分為結(jié)構(gòu)模型，后部分為聲模型，分開存成兩個(gè)文件。這樣做的目的是為了后處理分別顯示結(jié)構(gòu)和聲的結(jié)果。

l  用MSC.Nastran Input導(dǎo)入需要的模型（結(jié)構(gòu)或者聲）。下面以聲為例。

圖 8 導(dǎo)入EFEA模型

（2）導(dǎo)入PATRAN ‘.nod’結(jié)果模板和結(jié)果文件

l  點(diǎn)擊[File] -> [Import]

l   [Object]中點(diǎn)擊[Results], [Format]中點(diǎn)擊[PATRAN 2 .nod…]

l  在“Template for PATRAN 2.5 Import Results”窗口找到EFEA模型所在的文件位置，選擇“anod.res_tmpl”文件

圖 9 導(dǎo)入patran模板

l  點(diǎn)擊OK

l  在“Import”窗口，找到EFEA模型所在的文件位置，選擇“a_freq=1000_subcase=1.nod”文件

l  修改“Zero Tolerance”值為0。

l  點(diǎn)擊[Apply]

圖 10 選擇結(jié)果文件

（3）云圖結(jié)果

l  點(diǎn)擊[Results]

l  “Select Fringe Result”選項(xiàng)中選擇“SPL, Acoustic”

l  點(diǎn)擊[Apply]

圖 11 聲場SPL云圖

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