聲學有限元的案例
【資料】基于聲學有限元FEM Acoustics的聲學散射分析方法
基于聲學有限元FEM Acoustics的聲學散射分析方法
- 聲學有限元計算快，支持直接聲振耦合，所以可計算更高頻率和精確考慮局部阻尼效應等
- 但LMS Virtual.Lab聲學有限元不支持直接散射場計算，那在FEM模塊如何獲得純散射聲場（Scattering Field Only）？
來自西門子工業軟件（北京）有限公司 詹福良博士的資料。
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基于聲學有限元FEM Acoustics的聲學散射.pdf
有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列42： 聲學分析(1)-有限元
現階段我們只討論聲學物理場，由于聲學涉及的問題較多，我們僅限于和實際工作中用到的和結構強相關的部分內容，水平有限，同時對聲學理論等理解的也不夠透徹，可能有很多問題，大家有疑問也歡迎多討論。我們分幾篇文章來說明，本篇是聲學分析（1）-有限元，講述聲學的一些基本分析算法，并著重介紹聲學有限元的計算方法和融入到結構流程的關鍵問題，在iSolver中根據這些算法實現了聲模態和穩態等聲學有限元分析流程，可發現iSolver的計算結果和Abaqus沒有誤差，以此驗證公式的正確性。
1.1 聲學基本分析算法
每種學科的數值計算都有很多種，聲學也不例外，在Virtual.Lab、VA One、Actran等聲學商業CAE軟件中，聲學有限元、邊界元和統計能量法是主流。
1.1.1 聲學有限元
大家做過結構有限元中的振動波的問題就知道，想要模擬波的傳播，那么有限元的網格就需要滿足一定的要求，一般網格大小要<波長的1/20，也就是一個周期內有二十個點才能近似模擬出一條正弦曲線，下面圖就是20個點組成的sin曲線，要是點少了就很難看出是正弦曲線了。
展開 LMS Virtual.Lab聲學邊界元(BEM)與聲學有限元(FEM-AML)計算結果對比
論壇里的number5wei最近做了個對比計算，就是使用一個簡單的模型，進行基于結構模態的聲振耦合計算，分別使用聲學邊界元方法（BEM）與聲學有限元方法（FEM-AML）計算，然后查看兩種方法計算得到的板塊振動位移幅值與場點聲壓級有何不同。針對number5wei的問題，我給大家做了一個對比算例，可以看出兩種方法計算出的結果是高度一致的！有興趣的朋友可以下載看一下，也對各種方法的靈活使用有幫助。另外，我個人感覺LMS Virtual.Lab有一個最大的好處，就是使用結構樹，大家完全可以根據結構樹，重現操作步驟。
計算模型示意圖：
2000Hz時結構振動位移幅值云圖對比：
2000Hz時場點聲壓級對比：
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展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列44：聲學分析（3）-濕模態
(1)-有限元
https://www.yqgqt.org.cn/post/1912491
第四十三篇：聲學分析(2)-邊界元
https://www.yqgqt.org.cn/post/1923936
有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列43：聲學分析(2)-邊界元
我們在實際研發CAE軟件過程中發現難的不是這些多物理場公式等的編寫，難的是如何在現有的結構CAE軟件基礎上在前后處理和求解器層面分別加入其它分析能力，同時又保持原有框架的可擴展性和易維護性，當然，拋開多物理場，就算僅研發結構CAE軟件如何在維持現有框架結構基礎上在軟件層面添加新的功能也是實際中我們需要花大力氣研究的一個關鍵點，這也是我們理解的在研發上理論上的有限元和工程上的有限元分析的最大區別。
現階段我們只討論聲學物理場，由于聲學涉及的問題較多，我們僅限于和實際工作中用到的和結構強相關的部分內容，水平有限，同時對聲學理論等理解的也不夠透徹，可能有很多問題，大家有疑問也歡迎多討論。分幾篇文章來說明，本篇是聲學分析（2）-邊界元。
由于聲腔區域很多都是均勻的，這個區域很容易只要表達出邊界情況就能確定解，所以邊界元在聲學中經常用到，iSolver僅僅聚焦有限元，對于聲學有限元，我們團隊自己將結構有限元改造，加入了基于有限元的聲學分析模塊，但對于聲學邊界元，我們沒有做實際的開發，也不打算在邊界元領域深耕，只是希望和其它團隊合作在iSolver上二次開發，當然，很多人連自主CAE軟件直接操作都懶得試一下，更不要說愿意投入大把時間基于自主CAE軟件二次開發，但只要有人有意愿在iSolver平臺上二次開發，我們都會鼎力支持，現在的iSolver平臺已完全支持基于python和C++的二次開發。另一個團隊在iSolver前后處理平臺上二次開發完成聲學邊界元模塊，因為涉及界面的邊界元整體流程和底層的數據接口、聲振耦合傳遞等，所以我們對聲學邊界元略有了解，但比起真正做邊界元的還是差很多，僅記錄下我們理解的邊界元公式和開發難點。
展開 LMS Virtual.Lab 11聲學視頻教程 第十一課 邊界元聲振耦合計算
解聲學邊界元法進行聲振耦合計算。在本課中使用一平面波激勵一圓柱結構，然后利用聲振耦合計算場點聲壓分布、結構振動位移等參數。本課講解之后，作為最基本的聲學有限元、聲學邊界元、聲振耦合計算等就已經有了一個基本的體系，希望廣大朋友細心總結前十一課的內容。下一節課將對聲學有限元、聲學邊界元、聲振耦合計算做一個橫向的演示課程，讓大家更深入和更靈活地運用這些知識。
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展開 有限元聲學網格建立
有限元聲學網格建立
文章轉載自微信公眾號：有限元聯盟
LMS Virtual.Lab 11聲學視頻教程 第六課 直接邊界元計算振動噪聲
第六課主要講了如何利用聲學邊界元方法計算一板塊振動噪聲。本課程中詳細講解了幾何建模，結構網格劃分以及聲學邊界元網格制作的過程，是一個完整的分析流程。聲學邊界元方法的計算本來是打算放在后面進行的，但是由于最近論壇上不停有朋友問聲學邊界元相關內容，所以在這里提前奉獻這一內容。有關聲學邊界元的其它內容，例如聲學邊界元的聲振耦合計算、在邊界元中進行耦合模態分析以及多極邊界元相關內容將在后續的課程中講解。從下一節課程開始，還是回到正軌，繼續把聲學有限元中的AML計算方法給大家進行一個講解！包括AML方法計算外場噪聲、AML方法計算散射聲場以及直接聲振耦合加AML方法計算板塊隔聲量等內容。
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展開 消聲器網格劃分 聲學有限元仿真
通過LMS virtual.lab 進行傳遞損失計算
LMS Virtual.Lab聲模態計算視頻
實際上，不是這樣的，聲模態計算是最簡單的一個東西，有聲學有限元網格，馬上就可以算出來，是個幾分鐘就能完成的計算。在這里，特別給大家做了一個聲模態計算視頻，非常簡單的，需要的朋友看一下。此外，還有朋友問過，在LMS Virtual.Lab中對于聲學有限元計算，如何查看內部結果，趁著這個例子，也向大家講解一下Cut Plane Analysis工具的使用。
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LMS Virtual.Lab 11聲學視頻教程 第四課 耦合模態計算
LMS Virtual.Lab 11聲學模塊里的結構求解器SAMCEF能夠很方便地計算結構耦合模態。通常如油箱、水下潛艇結構等計算結構模態時均要考慮周圍流體對其影響。在LMS Virtual.Lab 11中，能夠方便地使用聲學有限元或者聲學邊界元中的結構求解器計算耦合模態。本課采用聲學有限元中的結構求解器計算一薄板與聲腔（介質為水）的耦合模態。
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LMS Virtual.Lab Rev 12 初體驗
用過Virtual.Lab中聲學有限元和聲學邊界元的朋友都知道，對于邊界元來說，在VL11和之前版本中主要就是普通的邊界元（包括直接邊界元和間接邊界元）和快速多極邊界元，而對于普通邊界元，在個人電腦上做計算的時候，如果模型自由度超過1.5萬，那么計算所需要的資源和時間就會顯著上升（這個在新書里面具體講過了，第一章，不了解的朋友去查一下），而快速多極邊界元主要用于超大規模聲學計算，對于普通個人電腦能承受的計算規模來講，快速多極邊界元通常都不能發揮出其高速特性，所以對于邊界元方法來說，這就存在一個“斷檔”的問題，中等規模問題，用邊界元就很不經濟，雖然從VL10開始，就有了聲學有限元中的AML技術（FEM-AML）來解決這個問題（個人覺得FEM-AML工程實用性很大），但是僅僅就邊界元計算技術來講，邊界元技術還有發展空間，而現在，H矩陣邊界元技術就誕生了，這個技術主要就是解決“高不成低不就”的邊界元計算問題的，對中等規模的聲學邊界元計算也能達到高速和精確求解！也許在VL13中，傳統的邊界元、H矩陣邊界元、快速多極邊界元將能夠通過計算規模，程序自動進行最經濟的算法選擇！那就是整個邊界元計算技術的高度統一了！
第三個新技術，就是在傳統畢奧理論的基礎上，新增了很多多孔吸聲材料模型，對于工程應用來講更加方便。比如以下是空客和波音的一些隔聲材料應用方面的案例。
第四個比較有意義的東西，就是對風扇寬頻噪聲的計算。這個技術實際在VL11的時候提過，當時是說LMS正在調查兩種寬頻噪聲的算法，會在下一版本中推出，現在VL12中就有啦！
以上就是我記得的VL12聲學模塊新增的一些功能和應用，非常有意義！特別其中一些東西，對于工程應用來說就是革命性的！除了聲學模塊，還有多體動力學Motion模塊、疲勞模塊等等，很多很多新東西！
展開 基于PERA SIM的機床主軸電機輻射聲場分析
對于特定聲學問題，三種類型的邊界條件可以同時存在于同一模型中；對于外部聲學問題，聲場在無窮遠處還應該滿足Sommerfeld輻射條件，即無限遠處不存在反射聲波。
本次機床主軸電機的結構振動聲輻射案例，就是將電機結構計算后表面的振動速度，轉換成電機表面的聲壓邊界，并且映射到空氣表面的聲邊界面上，完成電機運行時的振動聲輻射問題的分析。
1.3聲學邊界元
對于上述的聲學波動方程，可以用數值方法得到其滿足邊界條件的解。常用的數值方法有聲學有限元法和聲學邊界元法。
聲學有限元法是采用整個分析域的離散，但隨著聲學仿真模型的日益精細與龐大，網格劃分費時費力；對于無限域聲學問題，有限元方法還需要結合一些特殊的方法進行問題轉換。相比聲學有限元，聲學邊界元法有如下幾方面明顯的優勢：
(1) 只需在結構邊界上劃分單元，建模簡單、單元數目少；
(2) 只需在邊界面上進行離散和計算，將三維問題轉化為二維問題，達到了降維的效果；
(3) 邊界積分方程直接采用解析形式的基本解，計算精度更高；
(4) 基本解自動滿足無窮遠處邊界條件，適合處理無限域問題。
1.4聲學積分方程
跟有限元法、有限差分法等基于微分方程方法不同，聲學邊界元是基于積分方程的數值計算方法。在聲場中，求解不在結構邊界單元上的任意一點處的聲學結果，通常需要先得到滿足一定條件的Helmholtz微分方程基本解，稱為格林函數，再對滿足格林函數的聲學波動方程進行積分獲得。
展開 有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列41： 自主CAE開發實戰經驗第四階段總結
分析類型
（1） 支持桿的線性瞬態動力學
（2） 支持桿的幾何非線性瞬態動力學
（3） 瞬態動力學加入力的人工阻尼
（4） 增加聲學邊界單元處理
（5） 支持聲學有限元模態分析，包括一次、二次六面體，一次、二次四面體單元
（6） 支持聲學有限元諧響應分析
（7） 支持慣性釋放Inertia Relief功能
2. 單元
（8） BUSH單元支持Cartesian坐標系設定
（9） 模型有Assembly節點，但該點不屬于任何單元，不應該有UR,修復
（10） C3D6支持質量陣
（11） 支持B31OS
（12） 加入繩索單元
（13） 支持兩點重合的四邊形殼單元
3. 載荷和邊界
（14） 加入shell的edgeload
（15） 支持Amplitude的載荷
（16） 支持Amplitude的載荷用于瞬態動力學
（17） 支持節點既做了BC，又被Kcoup使用時的自動處理。
（18） 支持C3D20R、C3D20的面載荷
（19） 支持體的surface traction，包括general和shear兩種。
（20） 支持聲壓邊界條件
（21） 支持聲學加速度載荷
（22） 支持聲模態結果的POR提取
（23） 進一步修正近似奇異矩陣的求解方式
（24） 支持穩態動力學的速度邊界
4. 約束
（25） 自動處理某個set重復約束的問題，按最后一個約束施加
（26） 支持彈簧單元Spring在Assembly和Instance點之間連接
5. 材料
（27） 支持體的復合材料
6. 輸入輸出
（28） 瞬態動力學支持0時刻輸出結果。
展開 Actran在電機噪聲中的解決方案
1聲學軟件Actran簡介
Actran是由比利時FFT公司開發的一款通用聲學仿真計算軟件，被應用于各個行業進行聲學性能的仿真計算和評估。在2011年，美國MSC Software將FFT公司收購，但依然保留FFT公司對Actran軟件的獨立開發、維護及服務。隨著公司各產品技術的逐漸融合，MSC在振動噪聲、機械運動噪聲、氣動噪聲、沖擊碰撞噪聲、結構大變形過程中的噪聲問題等方面，開發出更成熟的依賴于Actran的仿真方案。
Actran是最早的聲學有限元方法的商業化程序，而如今，這種有限元方法已經被廣泛應用于各行業聲學的仿真模擬中。基于Actran高效率的聲學求解器，聲學有限元方法已經向更高頻、更大規模的聲學問題發起挑戰。其獨創的間斷伽遼金方法也已經在超高頻、大空間、強對流場的聲學問題上得到了持續性的驗證和擴展應用。先進的求解方法和高效率的求解器使得Actran軟件能夠模擬的聲學問題更加全面。
2電機噪聲問題概述
隨著世界經濟的發展和人民生活水平的提高，電機的用量與日俱增，而電機噪聲也成為越來越無法回避的問題。電機的振動噪聲涉及了電磁的能量轉換、機械振動、振動輻射聲波等許多學科，這也為電機的噪聲控制帶來很大的困難。
電機噪聲可以分為三種類型：
（1）電磁噪
交替變化的電磁場引起某些機械結構或者空腔的振動產生電磁噪聲。一般情況下，電機氣隙中存在各種階次、各種頻率的旋轉徑向電磁力。徑向力使得轉子鐵芯、定子鐵心以及機座產生隨時間周期性變化的振動。因此，電磁力的頻率特性決定了振動的大小及頻率特性。由于轉子鐵心剛度很大，所產生的振動量很小，所以定子鐵心和機座的振動是產生電磁噪聲的主要因素。
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