專利名稱：對結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)分析的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)的計算機輔助工程分析，特別涉及對受到諧波激勵(即負(fù)載)的結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)分析的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)(有時被稱為有限元分析(finite element analysis, FEA))是一禾中用于尋求偏微分方禾呈(partial differential equations, PDE)以及積分方程的近似解法的數(shù)值方法。該求解方法是建立在完全消除微分方程(穩(wěn)態(tài)問題)或者將偏微分方程轉(zhuǎn)化為常微分方程的近似系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的，這些可以隨后利用諸如歐拉法(Euler's method)、龍格庫塔(Rimge-Kutta)等標(biāo)準(zhǔn)方法進行數(shù)值積分。使用有限元分析來進行車輛的空氣動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)完整性的優(yōu)化已經(jīng)在汽車制造商中日漸普及。同樣，飛機制造商早在首個原型建立前就依靠有限元分析來預(yù)測飛機性能?？梢酝ㄟ^對涉及到的電動力學(xué)、擴散和熱力學(xué)進行有限元分析來合理地設(shè)計半導(dǎo)體電子器件。有限元分析被用于描述洋流和污染物的分布。有限元分析越來越多地被應(yīng)用在諸如烤箱、攪拌機、照明設(shè)施和一些塑料制品等消費品的生產(chǎn)和性能分析上。事實上，許多不同的領(lǐng)域已經(jīng)將有限元分析當(dāng)做能夠隨時應(yīng)用的工具，包括塑膠模具設(shè)計、核反應(yīng)堆建模、點焊工藝分析、微波天線設(shè)計、汽車碰撞仿真和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如假肢的設(shè)計)。簡言之，在輕工業(yè)和重工業(yè)的幾乎每個層面，有限元分析都可以被用于加快設(shè)計、提高生產(chǎn)能力和效率以及優(yōu)化產(chǎn)品性能。這往往早在首個原型被開發(fā)之前就已進行。具有挑戰(zhàn)性的有限元分析任務(wù)之一是仿真受到外部激勵的結(jié)構(gòu)的聲學(xué)響應(yīng)(如噪音)。解決結(jié)構(gòu)聲學(xué)響應(yīng)問題的一般方法涉及到在振動和聲學(xué)分析中求解方程。對于具有大量FEA單元的系統(tǒng)而言，求解傳統(tǒng)數(shù)值方法中的這些方程的計算量龐大，并且需要大量的資源。過去幾十年以來，邊界元法(boundary element method, BEM)已成為解決工程問題的一種通用且有力的工具。邊界元法是一種求解邊界值或初始值問題的數(shù)值方法，該邊界值或初始值問題采用了邊界積分方程進行公式化。邊界元法有利于解決無限域問題，因為其在無窮遠處的輻射條件是自動滿足的。邊界元法將問題的維度減少到一，例如，僅需要對域的邊界進行網(wǎng)格化。因此，邊界元法在很多情況下作為對更廣泛地使用有限元分析的一種替代選擇。特別是邊界元法已成為解決由亥姆霍茲(Helmholtz)方程限定的聲學(xué)問題的很好的候選方法。許多進行振動-聲學(xué)分析的現(xiàn)有技術(shù)的方法都是特定的，例如，將不同計算機軟件串在一起。這些方法不僅需要人為介入，而且也容易出錯。因此，有必要開發(fā)采用有限元分析和邊界元法二者來有效且高效地進行結(jié)構(gòu)的振動-聲學(xué)分析的綜合方法和系統(tǒng)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了通過對結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)分析來仿真由特定激勵產(chǎn)生的聲場的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，結(jié)構(gòu)的振動-聲學(xué)分析分為兩個階段。首先，使用受到諧波激勵(例如，外部節(jié)點負(fù)荷、壓力、或強迫運動(如地面運動)等)的結(jié)構(gòu)的有限元分析模型獲得穩(wěn)態(tài)動力(steady state dynamic, SSD)響應(yīng)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是頻域內(nèi)的有限元分析得到的結(jié)果(例如，結(jié)構(gòu)的所需位置處的節(jié)點速度)。其次，根據(jù)亥姆霍茲方程，將在結(jié)構(gòu)的所需位置處獲得的節(jié)點速度作為邊界條件進行聲學(xué)分析。聲學(xué)分析可以在若干步驟中進行(例如，邊界元法、瑞利近似法等)。根據(jù)另一方面，首先對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，以得到固有振動頻率(即本征頻率) 和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)振動模態(tài)。隨后使用模態(tài)疊加技術(shù)施加諧波激勵以獲得結(jié)構(gòu)上一些所需位置的SSD響應(yīng)(例如，節(jié)點速度或壓力)，例如，汽車的擋風(fēng)玻璃和內(nèi)部面板處的SSD響應(yīng)， 以確定激勵產(chǎn)生的噪音水平。外部激勵一般通過周期性負(fù)荷的振幅和相位角來表示，該周期性負(fù)荷采用一定頻率范圍的頻譜形式。該結(jié)構(gòu)的特性通過頻率響應(yīng)函數(shù)(frequency response function,FRF)來表示，其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)(測量或計算得到)是由單位諧波輸入激勵產(chǎn)生的結(jié)果?？蛇x地，可以進行有限元瞬態(tài)分析。隨后通過傅里葉轉(zhuǎn)換將時域解轉(zhuǎn)換為頻域解。在一些實施例中，進行間歇性模態(tài)分析，例如，對于結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力條件或結(jié)構(gòu)中存在的任何非線性特征。隨后使用結(jié)構(gòu)的間歇性本征頻率和相應(yīng)的振動模態(tài)以獲得SSD反應(yīng)。根據(jù)另一方面，使用不同方法施加阻尼從而對SSD響應(yīng)和FRF進行調(diào)整，使得數(shù)值仿真可以更好地與現(xiàn)實結(jié)果相匹配。一旦獲得SSD響應(yīng)(例如結(jié)構(gòu)上所需位置的節(jié)點速度)，使用另一計算機輔助分析技術(shù)(例如，邊界元法或者其他等同方法，如瑞利法)計算產(chǎn)生的聲學(xué)響應(yīng)。在BEM中，從感興趣表面上(如汽車擋風(fēng)玻璃)的壓力和速度的積分方程獲得聲域中任意點的壓力。瑞利方法是基于以下假設(shè)，即振動表面的每個單元安裝在沒有邊界的剛性擋板上，且其振動彼此不相關(guān)。通過累加每個單元產(chǎn)生的壓力得到總壓力場。本文描述的方法和系統(tǒng)的一個示例性應(yīng)用被稱為汽車的NVH(噪音、振動和聲振粗糙度)分析。對一些所需位置的聲場響應(yīng)的計算是在一組不同而無插值的頻率處進行的。根據(jù)另一方面，使用被稱為域分解的并行計算技術(shù)得到聲學(xué)響應(yīng)。并且采用矩陣的低階近似以快速求解。采用帶有不同預(yù)設(shè)條件的GMRES(Generalized Minimal RESidual method，廣義極小殘值法)迭代求解器來加速收斂。通過結(jié)合附圖詳閱接下來對實施例的詳細描述，本發(fā)明的其它目標(biāo)、特征和優(yōu)點將是顯而易見的。


下面將結(jié)合以下描述、附屬權(quán)利要求和附圖，對本發(fā)明的特征、方面和優(yōu)點進行更好地說明，其中圖1為示例性計算機的模塊圖，其中執(zhí)行本發(fā)明的一個實施例；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例求解受到激勵的結(jié)構(gòu)的振動-聲學(xué)問題的步驟的流程圖3A-B為結(jié)構(gòu)相關(guān)的示例性聲域圖；圖4A是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的示例性半空間聲輻射問題的定義的示意圖；圖4B是根據(jù)本發(fā)明另一實施例振動表面位于反射表面上的特殊情況的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例示出了使用有限元和邊界元(或瑞利(Rayleigh)) 分析的結(jié)合方法對結(jié)構(gòu)進行振動_聲學(xué)分析的示例性過程的流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)參照附圖，其中在不同的視圖中相同的數(shù)字代表相同的部件。本發(fā)明可以使用硬件、軟件或兩者結(jié)合來實現(xiàn)，可以在計算機系統(tǒng)或其他處理系統(tǒng)中執(zhí)行。事實上，在一個實施例中，該發(fā)明涉及一個或多個能夠?qū)崿F(xiàn)本文所述功能的計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)100 的實例如圖IA所示。計算機系統(tǒng)100包括一個或多個處理器，例如處理器122。該處理器 122連接到計算機系統(tǒng)的內(nèi)部通訊總線120。根據(jù)該示例性計算機系統(tǒng)來對各種軟件實施例進行說明。在閱讀該說明后，如何使用其它計算機系統(tǒng)和/或計算機體系來實施本發(fā)明， 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。計算機系統(tǒng)100還包括主存儲器108，優(yōu)選隨機存取存儲器(random access memory, RAM)，還可能包括輔助存儲器110。該輔助存儲器110可以包括，例如一個或多個硬盤驅(qū)動器112和/或一個或多個可移動存儲驅(qū)動器114，典型的有軟盤驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器、光盤驅(qū)動器等等?？梢苿哟鎯︱?qū)動器114以眾所周知的方式從可移動存儲單元118讀取數(shù)據(jù)和/或向其寫入數(shù)據(jù)?？梢苿哟鎯卧?18，典型的有軟盤、磁帶、光盤等，通過可移動存儲驅(qū)動器114讀取和寫入數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解，可移動存儲單元118包括計算機可用存儲介質(zhì)，其中存儲有計算機軟件和/或數(shù)據(jù)。在可選實施例中，輔助存儲器110可包括允許將電腦程序或其它指令加載到計算機系統(tǒng)100中的其它類似裝置。這些裝置可能包括，例如，可移動存儲單元122和接口 120。 這樣的例子可能包括程序盒和盒式接口(如視頻游戲設(shè)備中存在的)、可移動內(nèi)存芯片(如 EPR0M、USB閃存或PROM)及相關(guān)插座，以及其它允許將軟件和數(shù)據(jù)從可移動存儲單元122傳送到計算機系統(tǒng)100的可移動存儲單元122和接口 120。一般來說，計算機系統(tǒng)100是由操作系統(tǒng)軟件來控制和協(xié)調(diào)的，它執(zhí)行諸如進程調(diào)度、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)和I/O服務(wù)的任務(wù)。也可存在連接到總線102的通信接口 124。通信接口 124允許在計算機系統(tǒng)100 和外部設(shè)備之間傳輸軟件和數(shù)據(jù)。通信接口 124的實例可能包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口(如以太網(wǎng)卡)、通信端口、符合個人計算機存儲卡國際協(xié)會(Personal Computer Memory Card International Association, PCMCIA)標(biāo)準(zhǔn)的插槽和卡等。計算機100通過基于多組特定規(guī)則(即協(xié)議)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，與其它計算設(shè)備進行通信。常見的協(xié)議之一是經(jīng)常在因特網(wǎng)上使用的TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol，傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)。一般來說，通信接口 124將數(shù)據(jù)文件打包成較小的數(shù)據(jù)包并通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸該數(shù)據(jù)包，或者對接收的數(shù)據(jù)包進行解析獲得原始數(shù)據(jù)文件。此外，通信接口 124處理每個數(shù)據(jù)包的地址部分，以便使其到達正確的目標(biāo)端口，或者攔截目標(biāo)為計算機100的數(shù)據(jù)包。在本文中，術(shù)語“計算機程序介質(zhì)”、“計算機可讀介質(zhì)”、“計算機記錄介質(zhì)”和“計算機可用的介質(zhì)”被用來泛指諸如可移動存儲驅(qū)動器114(例如，閃存驅(qū)動器)的介質(zhì)，和/或安裝在硬盤驅(qū)動器112中的硬盤。這些計算機程序產(chǎn)品是用于為計算機系統(tǒng)100提供軟件的裝置。本發(fā)明涉及這樣的計算機程序產(chǎn)品。計算機系統(tǒng)100可能還包括輸入/輸出(input/output，I/O)接口 130，以供計算機系統(tǒng)100訪問顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機、掃描儀和繪圖儀等等。計算機程序(也稱為計算機控制邏輯)作為應(yīng)用模塊106存儲在主存儲器108和 /或輔助存儲器110中。計算機程序也可通過通信接口 IM來接收。這種計算機程序，在執(zhí)行時，使計算機系統(tǒng)100能夠執(zhí)行本文所討論的本發(fā)明的特征。特別是，計算機程序，在執(zhí)行時，使處理器104能夠執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這些計算機程序代表計算機系統(tǒng)100的控制者。在通過軟件實施本發(fā)明的實施例中，軟件可以存儲在計算機程序產(chǎn)品中，并可以使用可移動存儲驅(qū)動器114、硬盤112或通信接口 IM加載到計算機系統(tǒng)100中。應(yīng)用模塊 106，在被處理器104執(zhí)行時，使處理器104執(zhí)行本文中所述的本發(fā)明的功能。 主存儲器108可以加載有一個或多個應(yīng)用模塊106，一個或多個處理器104可以在通過I/O接口 130接收用戶輸入或者未接收用戶輸入的情況下，執(zhí)行所述一個或多個應(yīng)用模塊106，從而達到預(yù)期的任務(wù)。在運行時，當(dāng)至少有一個處理器104執(zhí)行至少一個應(yīng)用模塊106時，計算出結(jié)果并存儲在輔助存儲器110(即硬盤驅(qū)動器112)中。例如，將SSD和聲學(xué)分析結(jié)果保存至存儲器，并通過I/O接口 130以文本或圖形的方式報告給用戶?，F(xiàn)參照圖2，為描述了根據(jù)本發(fā)明一個實施例對結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)分析的各個功能步驟的關(guān)系的示意圖200。在圖200中，使用計算機輔助分析軟件(例如，有限元法、邊界元法等)對結(jié)構(gòu)202 (例如汽車)進行仿真。該結(jié)構(gòu)202 —般采用FEM模型表示，該FEM 模型包括多個節(jié)點和單元。結(jié)構(gòu)的硬度和質(zhì)量可以以硬度和質(zhì)量矩陣的形式從FEM模型中計算獲得。質(zhì)量可以通過集中質(zhì)量方案來表示，其只產(chǎn)生質(zhì)量矩陣中的對角線項。在定義好質(zhì)量和硬度矩陣后，可以進行模態(tài)分析204。獲得固有振動頻率和各個振動模態(tài)。在數(shù)學(xué)上，這個過程被稱為本征解。每一固有振動模態(tài)彼此正交。結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)208通過使用激勵輸入206來計算。激勵輸入206以諧波外部負(fù)荷的形式出現(xiàn)，例如環(huán)境(例如，汽車周圍的氣流、輪胎接觸地面等)產(chǎn)生的振動或力。 計算穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)的步驟被稱為模態(tài)疊加。一般來說，穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)是各種模態(tài)作用的疊加。在實踐中，取決于負(fù)荷(即激勵)的不同，大部分作用來自最低頻率的模態(tài)。為了獲取SSD，使用了模態(tài)疊加技術(shù)。包含阻尼效應(yīng)的運動的方程如下所示
權(quán)利要求
1.一種在對響應(yīng)諧波激勵的結(jié)構(gòu)進行振動_聲學(xué)仿真的計算機系統(tǒng)中執(zhí)行的方法，其特征在于，所述方法包括通過安裝在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊，定義結(jié)構(gòu)的有限元分析模型以表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和硬度特性；通過所述應(yīng)用模塊，使用模態(tài)疊加技術(shù)響應(yīng)于一頻率范圍內(nèi)的一組諧波激勵，獲得所述有限元分析模型中感興趣的一組節(jié)點處的采用速度譜形式的一組穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)；以及通過所述應(yīng)用模塊，使用聲學(xué)數(shù)值處理將從速度譜得到的節(jié)點速度作為邊界條件，計算一些所需位置的聲場響應(yīng)，其中所述一組節(jié)點直接影響所述聲場響應(yīng)以協(xié)助用戶改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲得一組穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)進一步包括 通過所述應(yīng)用模塊，使用質(zhì)量和硬度對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，以獲得一組固有振動頻率和對應(yīng)振動模態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，當(dāng)結(jié)構(gòu)有非線性行為時，使用間歇性的模態(tài)分析取代所述模態(tài)分析。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述非線性行為包括預(yù)應(yīng)力條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述一組固有振動頻率包括對穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)產(chǎn)生重要影響的最低模態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，通過累加從所有一組振動模態(tài)包括阻尼效應(yīng)獲得的貢獻來實現(xiàn)所述模態(tài)疊加技術(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個節(jié)點速度包括振幅和相位角。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲學(xué)數(shù)值處理基于亥姆霍茲方程和邊界元法。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲學(xué)數(shù)值處理基于瑞利法。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述計算一些所需位置的聲場響應(yīng)是在一組不同頻率而沒有插值的情況下進行的。
11.一種含有指令的計算機可讀介質(zhì)，其特征在于，所述指令用于控制計算機系統(tǒng)通過以下方法對響應(yīng)諧波激勵的結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)仿真通過安裝在計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊，定義結(jié)構(gòu)的有限元分析模型以表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和硬度特性；通過所述應(yīng)用模塊，使用模態(tài)疊加技術(shù)響應(yīng)于一頻率范圍內(nèi)的一組諧波激勵，獲得所述有限元分析模型中感興趣的一組節(jié)點處的采用速度譜形式的一組穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)；以及通過所述應(yīng)用模塊，使用聲學(xué)數(shù)值處理將從速度譜得到的節(jié)點速度作為邊界條件，計算一些所需位置的聲場響應(yīng)，其中所述一組節(jié)點直接影響所述聲場響應(yīng)以協(xié)助用戶改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。
12.一種用于對響應(yīng)諧波激勵的結(jié)構(gòu)進行振動_聲學(xué)仿真的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于存儲至少一個應(yīng)用模塊的計算機可讀代碼的主存儲器；連接到所述主存儲器的至少一個處理器，所述至少一個處理器執(zhí)行所述主存儲器中的所述計算機可讀代碼，使得所述至少一個應(yīng)用模塊通過以下方法執(zhí)行操作定義結(jié)構(gòu)的有限元分析模型以表示結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和硬度特性； 使用模態(tài)疊加技術(shù)響應(yīng)于一頻率范圍內(nèi)的一組諧波激勵，獲得所述有限元分析模型中感興趣的一組節(jié)點處的采用速度譜形式的一組穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)；以及使用聲學(xué)數(shù)值處理將從速度譜得到的節(jié)點速度作為邊界條件，計算一些所需位置的聲場響應(yīng)，其中所述一組節(jié)點直接影響所述聲場響應(yīng)以協(xié)助用戶改進結(jié)構(gòu)設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明公開了通過對結(jié)構(gòu)進行振動-聲學(xué)分析來仿真由特定激勵產(chǎn)生的聲場的方法和系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，結(jié)構(gòu)的振動-聲學(xué)分析分為兩個階段。首先，使用受到諧波激勵(例如，外部節(jié)點負(fù)荷、壓力、或強迫運動(如地面運動)等)的結(jié)構(gòu)的有限元分析模型獲得穩(wěn)態(tài)動力(SSD)響應(yīng)。穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是頻域內(nèi)的有限元分析中得到的結(jié)果(例如，在結(jié)構(gòu)的所需位置處的節(jié)點速度)。其次，根據(jù)亥姆霍茲方程將在結(jié)構(gòu)所需位置處獲得的節(jié)點速度作為邊界條件進行聲學(xué)分析。聲學(xué)分析可以采用若干方法(例如，邊界元法、瑞利近似法等)實現(xiàn)。
文檔編號G06F17/50GK102270252SQ20111014885
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者C·克利夫蘭·阿什克拉夫特, 穆罕默德·蘇里, 黃云 申請人:利弗莫爾軟件技術(shù)公司