Ansys Mechanical 先進聲學網格技術加速振動分析

在設計和最佳化產生、傳輸或接收聲音的產品和系統時，例如電動車傳動系統，聲學模擬是必不可少的。然而，這些模擬也帶來了許多挑戰，尤其是在處理具有不規則形狀、孔洞、間隙或交叉點的複雜幾何形狀時。工程師需要一種方法，能夠以最少的使用者輸入和介入，創建高品質的聲學模擬網格。

Ansys Mechanical 結構有限元分析 (FEA) 軟體中的先進聲學網格劃分工作流程，可簡化並自動化複雜幾何形狀的網格劃分過程，讓工程師能夠高效進行噪音、振動和聲振粗糙度 (NVH) 分析。這項創新工具支援多種類型的聲學模擬和求解器，並根據模擬需求，處理不同形狀和大小的域。

 

聲學網格劃分功能加速電動車傳動系統的分析結果

最近的一個應用案例是對電動車傳動系統進行 NVH 分析，該系統是由電動馬達、變速箱和電力電子模組組成。傳動系統的幾何形狀複雜，具有大量的孔洞、間隙和交叉點，這對傳統的網格劃分方法來說是個巨大挑戰，創建網格的過程可能長達48小時。

使用 Mechanical 軟體中的聲學網格劃分工具，團隊將網格創建時間從 48 小時大幅縮短至不到 2 小時，時間縮短了 90% 以上。最佳化後的網格提高了品質和效能，將求解時間縮短了50%， 電腦記憶體 (RAM) 需求減少 了70%，並減少了 75% 的檔案容量。這些進步讓 NVH 分析變得更快、更準確，從而提高整體的產品開發效率。

 

什麼是聲學網格功能？

Mechanical 軟體中的聲學網格劃分工具能夠以最少的使用者輸入，創建高品質的聲學模擬網格。基於包裹 (wrapper)網格技術，軟體可快速將表面網格包裹在幾何形狀的周圍或內部，而無需清理或連接幾何形狀。這消除了修復和準備幾何形狀以進行網格劃分的繁瑣步驟，讓工程師能夠專注於模擬設定與結果。

該工具可處理帶有孔洞、間隙和交叉點的幾何形狀，並自動使用適當的網格尺寸和元素類型閉合它們。聲學網格劃分工具還可根據模擬需求和求解器，生成不同的域形狀和網格。

 

透過四個步驟改善您的網格

聲學網格劃分功能透過簡單的工作流程，最佳化網格品質和效能，步驟如下：

1. 指定頻率範圍和聲速以進行聲學分析。這些參數決定了網格尺寸和元素類型。

2. 識別並命名需要閉合的孔洞邊緣。這個手動步驟可以在啟動工作流程前後執行。小於網格尺寸的孔洞會自動閉合。

3. 啟動網格劃分工作流程，分為四個階段：幾何準備、表面網格劃分、域的創建和體積網格劃分。使用者可以在每個階段預覽並調整設定。

4. 生成並檢視網格，包括統計數據和品質。可以匯出或匯入網格進行進一步的分析。

 

網格工作流程步驟，從 CAD檔案到聲學輻射網格

 

聲學網格特徵的優勢

聲學網格劃分工具提供了許多好處，包括：

• 減少時間和精力：複雜幾何形狀的網格生成只需要幾分鐘，而非數小時或數天。

• 提高準確性和穩健性：網格針對聲學分析進行最佳化，可根據頻率和聲速定制網格尺寸和元素類型。

• 增強模擬的靈活性和效率：支援多種域、求解器和邊界條件，可降低計算成本並提高模擬結果品質。

 

了解聲學網格劃分工作流程的實際應用

聲學網格劃分工具可應用於複雜幾何形狀的聲學模擬，包括外部聲學、內部聲學和邊界元素法聲學。

 

外部聲學

外部聲學是聲學網格中最常見的情況之一，所涉及的幾何形狀通常很複雜，多個部件可能有間隙、重疊甚至孔洞。

在初始步驟中，需要識別並閉合大於表面網格尺寸的孔洞。為了幫助網格劃分工具偵測這些孔洞，會為邊界邊緣創建名稱選擇(name selections)，可以有一個或多個這樣的名稱選擇，這是過程中唯一需要手動的步驟，若沒有孔洞存在，則可以完全跳過此步驟。使用這些名稱選擇，包裹工具(wrapper)會創建封蓋(capping)幾何表面，使用者可以檢視這些表面，並根據需求進行確認或修改。

接下來，包裹工具(wrapper)會在組件周圍生成連續的表面網格。表面網格可以是三角形或四邊形。使用者有多種體積網格劃分的選項，從規則的球形或矩形，到更複雜的幾何形狀，例如部分球體或自訂形狀。

Ansys 現在提供貼合主體的不規則完美匹配層 (IPML) 網格，可以適應組件的曲率，同時最大限度地減少網格數量，這是預設方法。 IPML 包括靠近表面網格的四面體(tetrahedral)元素，然後是由六面體(hexahedral)或棱柱形(prism-shaped)元素組成的 PML 網格層。金字塔 (Pyramid)元素則用於四面體和六面體網格之間的過渡。在特定情況下，當聲學域具有規則的長方體(cuboid)形狀時，聲學網格可以完全由六面體元素組成，從而完全避免使用四面體網格。

使用者能夠完全控制表面網格附近的四面體層數、PML 層數，以及選擇二次或線性元素。為了簡化自定義過程，整個流程可以透過腳本進行紀錄和自動化。

 

原始 CAD 檔案、包裹表面網格和外部輻射 IPML 網格

 

內部聲學 

模擬聲音在封閉空間中的傳播，如車廂、消音器或管道，對於了解內部聲學是非常重要的。然而，為複雜幾何形狀創建密封的聲學區域可能是一項艱鉅的挑戰。聲學網格包裹工具(wrapper)透過一步生成連續的表面網格簡化了這個過程。此表面網格可由三角形或四邊形元素組成，並以此為基礎，在空腔內生成體積網格。在表面附近創建四面體(tetrahedral)元素，而在核心區域填滿六面體(hexahedral)元素。金字塔 (Pyramid)元素則用於四面體和六面體網格之間的無縫過渡。網格可以配置為高階元素或線性元素。這樣的混合網格劃分方法最佳化了網格數量，讓使用者可以控制四面體(tetrahedral)元素的層數，從而能根據需要，定義增長速率來粗化六面體核心(hex-core)網格。在特定情況下，當空腔具有規則的長方體形狀時，聲學網格可以完全由六面體元素組成，從而完全避免使用四面體網格。

 

CAD 到內部腔體網格建立流程

 

BEM 聲學

邊界元素法 (BEM) 聲學只需要需要對幾何形狀創建表面網格，因為聲音在腔體內或自由場中的傳播是使用瑞利Rayleigh積分法進行求解。這種方法大大簡化了幾何準備和網格劃分的過程。雖然閉合孔洞是有限元素法 (FEM) 聲學中，創建表面網格的必要步驟，但在 BEM 中則是可選擇的。捕捉組件表面的剩餘步驟與 FEM 網格劃分類似。下圖展示了相同馬達外殼組件上的 BEM 表面網格，其中孔洞保持原樣。由於創建表面網格所需的步驟較少，BEM 網格是使用腳本自訂和自動化的最直接方法。

 

包含與不包含封閉孔的 BEM 聲學表面網格

參考資料：Ansys Blog

 

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