Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» применительно к задаче излучения во внутренние замкнутые объемы 14
1.1. Гранично-элементный акустический анализ 14
1.2. Гранично-элементное моделирование поверхности со звукопоглощающим покрытием 16
1.3. Применение метода граничных элементов к проблеме зву ко излучения внутри помещений в области инфразвуковых частот 19
Глава 2. Программный комплекс для численного акустического анализа инженерных конструкций на основе МКЭ/МГЭ 23
2.1. Алгоритм работы программного комплекса ACULA 3.1 23
2.2. Модули и интерфейсы программного комплекса ACULA 3.1 29
2.3. Тестирование программного комплекса на модели, имеющей аналитическое решение 33
Глава 3. Исследование характеристик излучения во внутренние объемы помещений объектов морской техники и транспортных средств 36
3.1. Исследование виброакустических характеристик каюты пассажирского судна ...38
3.2. Исследование виброакустических характеристик кабины автомобиля МАЗ 55
3.3. Исследование акустических характеристик эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250» 68
Глава 4. Возможности дальнейшего развития программного комплекса в части применения к задачам внешнего излучения 73
4.1. Исследование виброакустических характеристик и излучения Челночного ледового танкера 75
4.2. Исследования виброакустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300 .90
Заключение 99
Список литературы 101
- Гранично-элементное моделирование поверхности со звукопоглощающим покрытием
- Тестирование программного комплекса на модели, имеющей аналитическое решение
- Исследование акустических характеристик эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250»
- Исследование виброакустических характеристик и излучения Челночного ледового танкера
Введение к работе
Сегодня во всем мире проблеме снижения шума и звуковой вибрации транспортных средств и инженерных сооружений различного назначения придается особое внимание для обеспечения конкурентоспособности за счет повышения комфортности и улучшения экологических показателей. Наибольший научный вклад в развитие данного направления в силу специфики решаемых задач внесли ученые судостроительной отрасли: ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета, ЦНИИ ТС, 1 ЦНИИ Военного кораблестроения, ВМА им. А.Н. Крылова, ФГУП «ЦНИИ «Морфизприбор»» и др. Актуальность вышеуказанной проблемы обусловлена также отрицательным воздействием источников шума на здоровье человека. Воздействие высокого уровня шума, например, в условиях производства приводит к временному ухудшению порога слышимости, а длительное воздействие на органы слуха может привести к частичной потери слуха. В результате шумового воздействия сужаются и, даже перекрываются кровеносные сосуды внутреннего уха и появляется усталость слуховых клеток. Минимальные значения общих уровней звукового давления, которые при продолжительном воздействии в условиях восьмичасового рабочего дня могут привести к тугоухости, находятся в пределах 90 дБ. Значительно большее значение имеют подчас трудноразличимые реакции организма, протекающие эрготропно (с пониженной возбудимостью), длительность которых, как правило, больше, чем время раздражения и которые медленно затухают. Воздействие шума на вегетативную нервную систему наиболее характерно проявляется через изменения в системе кровообращения. Ее реакция выражается, помимо незначительного уменьшения амплитуды кровяного давления и некоторого увеличения частоты пульса, главным образом, в снижении ударного объема сердца и повышении периферийного сопротивления сосудов, что становится достаточно заметным при общем уровне звука в 70 дБ. Практическое значение имеет также расширение зрачков, которое зависит от общего
5 уровня шума и, начиная с 75 дБ, развивается нелинейно.
В результате расширения зрачков и появления, рефлекторно связанных с ними аккомодации и конвергенции, уменьшается глубина резкости зрения, что особенно нежелательно для специалистов различных производств (электронщиков, оптиков, точных механиков, часовщиков и.т.д.). Необходимо учитывать также отрицательное воздействие инфразвуковых волн на психическое состояние человека.
С целью повышения конкурентоспособности, предприятия многих отраслей промышленности уделяют повышенное внимание улучшению экологической безопасности своих изделий в части виброшумовых характеристик. В частности, в автомобильной промышленности в последние годы значительно возрос интерес к исследованию путей распространения структурного шума по несушим конструкциям автомобилей и кузову, поскольку указанный фактор является определяющим при формировании акустического поля внутри салонов автомобилей и кабин водителей. Исследования в области автомобильной акустики направлены также на разработку более эффективных элементов конструкций автомобиля, обеспечивающих снижение излучаемого ими воздушного шума как внутрь салона (или кабины водителя), так и наружу. В первую очередь, это глушители шума системы выпуска отработанных газов, звукопоглощающие и звукоизолирующие панели салонов (или кабины) автомобиля и моторного отсека, а также капсулы двигателя и ведущих мостов. Легковые и грузовые автомобили и автобусы располагают достаточно большим числом агрегатов, передающих динамические нагрузки непосредственно на основание несущих конструкций и кузова, имеющих в большинстве случаев повышенную виброакустическую возбудимость. Значения уровней воздушного шума и картина распределения звуковых полей внутри салонов автомобилей тесно взаимосвязаны с динамическими характеристиками несущих конструкций автомобиля и кузова. Наиболее значимыми среди них являются собственные частоты и формы колебаний, коэффициенты потерь и звукопоглощения.
В области судостроения эта проблема стоит весьма остро, поскольку требования по воздушному шуму предъявляются не только к жилым помещениям, но и к помещениям, гд& расположены энергетические и силовые установки, а также различные механизмы, системы и инженерные коммуникации. В зависимости от категории эти помещения должны обеспечивать комфортные условия обитаемости для экипажа и пассажиров (каюты, салоны), или приемлемые условия работы для обслуживающего персонала (производственные помещения). Требования по воздушному шуму к ним различны, поэтому есть категории помещений, нахождение обслуживающего персонала в которых ограничено по времени. Необходимо отметить также, что повышенная шумовая загрязненность ареала обитания ценных рыб промысловых пород может привести к значительному снижению популяции в этом регионе. Проблема снижения шума и вибрации на судах должна решаться на стадиях проектирования судна и предусматривать технические решения, включающие применение средств вибро- и звукопоглощения. Для судов ледового плавания (СЛП) при движении во льдах на уровни шума в помещениях кроме вибрации и шума, создаваемого механизмами и корпусом судна в целом, в ряде случаев значительное воздействие оказывает шум трескающихся льдин. В связи с этим, возникает задача определения картины распределения акустического поля снаружи судна (как в воздухе так и в воде) от взаимодействия корпуса судна со льдом. То есть, в ряде важных случаев (для СЛП при движении во льдах) для решения «внутренней» задачи необходимо решать также и «внешнюю» задачу.
Существующие в судостроении методики по определению уровней воздушного шума в конкретном помещении судна направлены на оценку общего уровня шума при шумовом и вибрационном воздействии со стороны соседних помещений с виброактивным оборудованием. Однако, эти методики не работают в тех случаях, когда требуется получить пространственную картину распределения звуковых полей. В первую
7 очередь это связано с тем, что применимость существующих методик ограничивается диапазоном частот, в котором звуковое поле имеет диффузный характер. Диапазон низких и средних звуковых частот, где поле имеет волновой характер, эти методики не охватывают. Они не позволяют оценить влияние внутреннего насыщения и наличия персонала (например, кресел и пассажиров в транспортных средствах) на характер пространственной картины звукового поля. В ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова с конца 80-х годов под руководством Н.В.Югова ведутся активные исследования по созданию программного комплекса на основе МКЭ/МГЭ по расчету звукоизлучения судовых корпусных конструкций. Эти работы выполнялись параллельно с работами западных исследовательских центров:
Тэйлоровский центр (США), NIT и LMS (Бельгия). В работах Н.В.Югова,
Н.О.Симина, В.В.Завгороднего [1-26] были заложены основы программного комплекса ACULA3D. В 1994 году были закончены разработки программного комплекса ACULA2D для плоских и осесимметричных конструкций [3], а в 1995 году [4] программный комплекс ACULA3D был оттестирован для трехмерных моделей. Работами Р.А.Минина [54-64] впервые были расширены возможности программного комплекса ACULA3D в части: разработки модулей, обеспечивающих расчет и пространственное представление акустических полей для задач внутреннего излучения; разработки модулей, обеспечивающих учет эффектов звукопоглощения внутри замкнутых объемов; разработки модулей, позволяющих выполнять расчеты на инфразвуковых частотах; разработки единой графической оболочки и интерфейса пользователя; расширения возможностей комплекса для излучения частично погруженных в воду морских сооружений;
8 разработки интерфейсов к современным КЭ системам мирового уровня (ANSYS 5.x, PATRAN, NASTRAN); разработки графического модуля по визуализации объемного распределения звуковых полей как во внутреннем, так и во внешнем пространстве; увеличения количества узлов ГЭ сетки излучающей поверхности до
4000; интеграции комплекса ACULA3D в систему конечно-элементного анализа MSC PATRAN/NASTRAN; Проблеме борьбы с повышенным шумоизлучением на транспорте посвящены публикации многих авторов, среди которых следует выделить работы К.И. Мальцева, В.М. Спиридонова, И.И.Боголепова и Э.И.Авферонка [28,29], в которых обобщены результаты научных исследований и конструкторских разработок по судовой звукоизоляции. В них большое внимание уделено описанию физико-технических свойств звукоизоляции одностенных, двухстенньгх и многослойных конструкций. На основе теоретических и экспериментальных исследований даны методы расчета звукоизоляции. Произведен анализ влияния различных свойств материалов и параметров конструкции на звукоизоляцию, в том числе оценено влияние таких факторов, как звуковые мостики, акустические отверстия, ребра жесткости и сосредоточенные массы.
Помимо теоретических и экспериментальных методов исследований процессов шумоизлучения, в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова Безъязычным А.В., Кузнецовым Н.А., Попковым В.И., Попковым СВ., Поповым А.В., Самойловым А.О., Селивановой И.А. выполнены работы по созданию программных комплексов для обеспечения акустического проектирования объектов водного транспорта и морской техники с безопасными уровнями вибрации и воздушного шума в местах пребывания людей [30]. Был создан программный комплекс DACS, предназначенный для расчетов вибрационных и динамических характеристик судовых энергетических установок и вспомогательного оборудования на основе метода конечных элементов (МКЭ). Разработана программа NSEA, основанная на уравнениях энергетического баланса и предназначенная для определения уровней воздушного шума в судовых, помещениях, обусловленного переизлучением ограждающих их перекрытий. Однако, энергетические методы имеют ряд ограничений по частотному диапазону, поскольку для корректного применения уравнений энергетического баланса необходимо наличие диффузного поля. Существенно, также то, что излучение в замкнутые пространства определяется не только изгибными колебаниями перекрытий, которые учитываются в упомянутых работах, но также и другими типами волн.
Среди работ других научных центров следует выделить работы коллектива, возглавляемого В.Е.Тольским [31,32], посвященные шумоизлучению и виброакустической диагностике автомобилей. В них рассмотрены основные показатели, определяющие виброакустические качества автомобилей, дан широкий анализ влияния его агрегатов и систем на образование шума, приведены виброакустические модели автомобиля, результаты исследования виброакустических показателей.
Упомянутые выше подходы и методики по определению уровней звукового давления в значительной степени основаны на накопленных экспериментальных данных, что, затрудняет их использование для расчета структуры звукового поля внутренних помещений инженерных объектов и транспортных средств. Кроме этого, в вышеприведенных работах представленные методы ориентированы на оценки общих уровней воздушного шума в помещениях, что не позволяет получить полную объемную картину распределения звукового поля.
На сегодняшний день, наиболее перспективным подходом к решению задачи колебаний акустической среды являются методы численного моделирования. Значительный вклад в решение задачи взаимодействия акустической среды с упругой конструкцией с использованием метода конечных элементов внесли ученые Ленинградского Кораблестроительного
Института В.А.Постнов, А.И.Фрумен, Е.А.Волков, А.Ю.Душин, А.Ю.Петров. В последние время для решения проблемы взаимодействия системы «структура-среда» стал интенсивно использоваться совместный метод конечных и граничных элементов (МКЭ/МГЭ). В период 80-90-х годов появилось значительное количество публикаций [33-53], посвященных данной проблеме. Сегодня этот математический аппарат реализован в двух программных комплекса: SYSNOISE (LMS, Бельгия) и NASHUA (США, Тейлоровский центр). Они предназначены как для многопроцессорных машин и профессиональных рабочих станций, так и для персональных компьютеров типа IBM PC. Пакет NASHUA по имеющимся публикациям ориентирован на совместное применение с КЭ программным комплексом NASTRAN. Акустическая система SYSNOISE используется практически со всеми распространенными КЭ системами и, на сегодняшний день, является безусловным лидером по степени распространенности на западном рынке. В то же время на отечественном рынке, в силу достаточно высокой стоимости, SYSNOISE не нашел сколь-нибудь широкого применения. Кроме этого, следует подчеркнуть, что основные тонкости построения математических моделей, алгоритмы расчета, как впрочем, и исходные тексты программ являются коммерческой тайной производителя программного продукта и в печати не публикуются.
Достоверность результатов расчета, полученных с использованием созданного программного комплекса, подтверждена сопоставлением большого количеством численных и экспериментальных исследований различных инженерных конструкций, проведенных в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова с конца 80-х годов по настоящее время [5,6,9,10,19-27,61-64]. Перечисленные работы позволили вывести программный комплекс ACULA на уровень мировых пакетов как по сложности (объему) численно моделируемых объектов, так и по удобству использования пакета исследователем-расчетчиком. Научная новизна представляемой работы заключается в том, что впервые представлены математические модели и алгоритмы связанных колебаний системы «структура-среда», на основе совместного использования МКЭ и МГЭ, предназначенные для расчета излучения инженерных конструкций во внутренние замкнутые объемы с учетом эффектов звукопоглощения и в области низких звуковых частот. В представленных алгоритмах расчета отсутствуют ограничения на форму излучающей поверхности и сложность конструкции, что позволяет производить исследования виброакустических характеристик широкого класса инженерных объектов. Целями настоящей работы являются: совершенствование математических моделей, алгоритмов и программных разработок для расчета акустических характеристик излучения во внутренние замкнутые объемы; разработка на их основе модулей программного комплекса по расчету вибрационных и акустических характеристик внутренних полей сложных пространственных объектов, включая автомобильные, морские, воздушные и другие транспортные средства с учетом средств звукопоглощения в низкочастотном диапазоне; численные исследования вибрационных и акустических характеристик проектируемых и создаваемых в настоящее время объектов морской техники и автомобилей с целью улучшения их шумовых характеристик и повышению конкурентоспособности на потребительском рынке.
В первой главе разработаны математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» на основе МКЭ/МГЭ для излучения во внутренние замкнутые объемы. Приведены алгоритмы расчета для систем с наличием звукопоглощающих материалов, а также представлены примеры использования алгоритмов МГЭ в низкочастотном диапазоне.
12 Во второй главе описан программный комплекс по расчету виброакустических характеристик сложных инженерных сооружений ACULA 3.1. Рассмотрен алгоритм работы и порядок применения программного комплекса. Сделан обзор графического интерфейса пользователя. Приведены результаты тестирования программного комплекса на моделях, имеющих аналитическое решение.
Третья глава посвящена исследованию акустических характеристик салонов и обитаемых модулей объектов автомобильной и железнодорожной промышленности и морской техники соответственно, Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик пассажирской каюты судна ледового плавания (СЛП).
Приведено расчетно-экспериментальное исследование вибро акустических характеристик конструкции кабины автомобиля МАЗ. Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик эластичной изолирующей оболочки межвагонного перехода высокоскоростного поезда.
В четвертой главе представлены результаты модификации программного комплекса применительно к задачам внешнего излучения. На примере СЛП исследованы динамические и акустические характеристики реальных объектов морской техники. Приведены результаты расчетов акустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300.
На защиту выносятся; - принципы построения математические моделей и алгоритмов, описывающих связанные колебания системы «структура-среда» для задачи излучения во внутренние замкнутые объемы на основе совместного использования МКЭ и МГЭ; численные методы расчета, реализованные в программном комплексе по расчету характеристик акустических полей внутри кают пассажирских судов, модулей транспортных средств и инженерных сооружений, с целью обеспечения экологических характеристик шумовых полей внутри помещений на всех стадиях проектирования; результаты расчетного исследования по акустически рациональному проектированию кают пассажирских судов; результаты численного исследования виброакустических характеристик кабины и отдельных компонентов автомобиля. принципы построения математических моделей излучения частично погруженных в воду объектов морской техники и численные методы расчета на примере Челночного ледового танкера (ЧЛТ).
Гранично-элементное моделирование поверхности со звукопоглощающим покрытием
Достоверность результатов расчета, полученных с использованием созданного программного комплекса, подтверждена сопоставлением большого количеством численных и экспериментальных исследований различных инженерных конструкций, проведенных в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова с конца 80-х годов по настоящее время [5,6,9,10,19-27,61-64]. Перечисленные работы позволили вывести программный комплекс ACULA на уровень мировых пакетов как по сложности (объему) численно моделируемых объектов, так и по удобству использования пакета исследователем-расчетчиком. Научная новизна представляемой работы заключается в том, что впервые представлены математические модели и алгоритмы связанных колебаний системы «структура-среда», на основе совместного использования МКЭ и МГЭ, предназначенные для расчета излучения инженерных конструкций во внутренние замкнутые объемы с учетом эффектов звукопоглощения и в области низких звуковых частот. В представленных алгоритмах расчета отсутствуют ограничения на форму излучающей поверхности и сложность конструкции, что позволяет производить исследования виброакустических характеристик широкого класса инженерных объектов. Целями настоящей работы являются: - совершенствование математических моделей, алгоритмов и программных разработок для расчета акустических характеристик излучения во внутренние замкнутые объемы; - разработка на их основе модулей программного комплекса по расчету вибрационных и акустических характеристик внутренних полей сложных пространственных объектов, включая автомобильные, морские, воздушные и другие транспортные средства с учетом средств звукопоглощения в низкочастотном диапазоне; - численные исследования вибрационных и акустических характеристик проектируемых и создаваемых в настоящее время объектов морской техники и автомобилей с целью улучшения их шумовых характеристик и повышению конкурентоспособности на потребительском рынке. В первой главе разработаны математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» на основе МКЭ/МГЭ для излучения во внутренние замкнутые объемы. Приведены алгоритмы расчета для систем с наличием звукопоглощающих материалов, а также представлены примеры использования алгоритмов МГЭ в низкочастотном диапазоне. Во второй главе описан программный комплекс по расчету виброакустических характеристик сложных инженерных сооружений ACULA 3.1. Рассмотрен алгоритм работы и порядок применения программного комплекса. Сделан обзор графического интерфейса пользователя. Приведены результаты тестирования программного комплекса на моделях, имеющих аналитическое решение. Третья глава посвящена исследованию акустических характеристик салонов и обитаемых модулей объектов автомобильной и железнодорожной промышленности и морской техники соответственно, Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик пассажирской каюты судна ледового плавания (СЛП). Приведено расчетно-экспериментальное исследование вибро акустических характеристик конструкции кабины автомобиля МАЗ. Представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований акустических характеристик эластичной изолирующей оболочки межвагонного перехода высокоскоростного поезда. В четвертой главе представлены результаты модификации программного комплекса применительно к задачам внешнего излучения. На примере СЛП исследованы динамические и акустические характеристики реальных объектов морской техники. Приведены результаты расчетов акустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300. На защиту выносятся; - принципы построения математические моделей и алгоритмов, описывающих связанные колебания системы «структура-среда» для задачи излучения во внутренние замкнутые объемы на основе совместного использования МКЭ и МГЭ; численные методы расчета, реализованные в программном комплексе по расчету характеристик акустических полей внутри кают пассажирских судов, модулей транспортных средств и инженерных сооружений, с целью обеспечения экологических характеристик шумовых полей внутри помещений на всех стадиях проектирования; - результаты расчетного исследования по акустически рациональному проектированию кают пассажирских судов; - результаты численного исследования виброакустических характеристик кабины и отдельных компонентов автомобиля. - принципы построения математических моделей излучения частично погруженных в воду объектов морской техники и численные методы расчета на примере Челночного ледового танкера (ЧЛТ). Глава 1. Математические модели и алгоритмы расчета связанных колебаний системы «структура-среда» применительно к задаче излучения во внутренние замкнутые объемы В данной главе представлен математический аппарат для расчета звукоизлучения во внутренние замкнутые объемы. Рассмотрен алгоритм расчета для структур, облицованных звукопоглощающими материалами. Приведено численное решение задачи звукоизлучения в области низких частот. 1.1. Гранично-элементный акустический анализ
Тестирование программного комплекса на модели, имеющей аналитическое решение
После этого, с помощью конечно-гранично-элементных трансляторов конечно-элементной модели и форм колебаний конструкции конечно-элементные базы данных (БД) передаются в гранично-элементный модуль. Гранично-элементным модулем, который является основной частью созданного программного комплекса, решается задача акустического взаимодействия системы «структура-среда». Модулем выполняется расчет акустических давлений и колебательных скоростей в ГЭ узлах излучающей поверхности модели на основе следующих исходных данных: - физических характеристик внешней среды (скорость звука, плотность); - физических характеристик структуры (коэффициент потерь); - параметров расчета (диапазон частот, количество вариантов расчета, контрольный узел на излучающей поверхности); - физических характеристик звукопоглощающих покрытий. По окончании работы гранично-элементного модуля формируется новая база данных, содержащая все данные по геометрии модели (узлы и элементы контактирующей со средой поверхности) и результаты акустического расчета (давления и скорости) в каждом узле излучающей поверхности конструкции. Кроме этого, можно получить информацию предназначенную для быстрого контроля результатов расчета, а именно: - амплитуду давления в контрольном узле излучающей поверхности; - значение полной излучаемой мощности конструкции; - амплитуду нормальной скорости поверхности структуры в контрольном узле. Во встроенном в программный комплекс гранично-конечно-элементном конвертере (ГКЭК) проводится постпроцессорная обработка данных расчета гранично-элементного модуля и подготовка необходимой базы данных для визуализации результатов конечно-элементным пакетом ANSYS или PATRAN и программами графического представления данных (MATLAB, EXEL, GRAPHER и др.). Исходными данными для гранично-конечно элементного конвертера являются: - набор значений частот, на которых рассчитываются вынужденные колебания для постпроцессорной обработки; - контрольный узел на излучающей поверхности; - координаты контрольной точки во внутренней среде; - параметры для расчета диаграмм направленности; - номер варианта расчета; - координаты точек для визуализации распределения акустического поля давлений во внутренней среде. По окончании работы гранично-конечно-элементного конвертера пользователь получает следующую информацию в заданном контрольном узле на излучающей поверхности: - амплитуду, реальную и мнимую части давления; - амплитуду, реальную и мнимую части нормальной скорости; амплитуду, реальную и мнимую части перемещения; - интенсивность излучения; а также: - данные по полной излучаемой мощности; - значения модуля давления, амплитуд, реальной и мнимой частей давления в контрольной точке во внешней среде; - данные для построения диаграмм направленности. На заключительном этапе исследований (постпроцессорная обработка) проводится графическое отображение и визуализация результатов с помощью конечно-элементных модулей, а также других программ графического представления данных (MATLAB, EXEL ). При построении конечно-элементных моделей накладываются следующие ограничения и допущения: - размер конечного элемента L выбирается из двух условий k„3rL 2 и kcpL l, где кизг -волновое число изгибных волн в структуре, кср -волновое число в среде; L - максимальный линейный размер конечного элемента); - излучающая поверхность считается гладкой или должна быть сведена к гладкой; - частотный диапазон расчетных исследований ограничен сверху ресурсом используемой вычислительной техники, поскольку увеличение верхней частоты расчета приводит к необходимости сгущения конечно-элементной сетки модели; - количество степеней свободы практически не ограничено, пока не входит в противоречие с волновым фронтом матрицы жесткости конструкции, заданным в конкретном пакете; В данном разделе представлена методика проведения акустических численных исследований с применением разработанного программного пакета с учетом возможностей пользовательского интерфейса комплекса ACULA 3.1. Описаны некоторые диалоговые окна программы, а также рассмотрены функциональные возможности программного комплекса. Отдельно уделено внимание программам обращения к модулям и библиотекам для КЭ системы PATRAN/NASTRAN. Программный комплекс ACULA ЗЛ предназначен для расчета виброакустических характеристик современных морских, наземных, подземных и воздушных транспортных средств, а также зданий и сооружений на основе применения совместных методов конечных-граничных элементов (МКЭ/МГЭ). Комплекс разработан в среде MS Visual Studio 6.0 с использованием компиляторов MS Visual C++ 6.0 Enterprise Edition и Compaq Visual Fortran Professional Edition 6.1. Отличительной особенностью взаимодействия программного комплекса ACULA 3.1 с КЭ ЗО системой PATRAN/NASTRAN является то, что конвертеры КЭ баз данных в ГЭ модуль и обратно разработаны на языке PCL (Patran Command Language) и отделены от основного модуля программного комплекса. Модули конвертеров к системе PATRAN/NASTRAN являются по существу библиотеками, интегрированными в среду PATRAN/NASTRAN, основанными на стандарте интерфейсной системы PATRAN/NASTRAN. При проектировании модулей конвертеров были учтены все наиболее распространенные средства, используемые в среде PATRAN/NASTRAN, что значительно упрощает работу пользователя, занимающегося инженерным проектированием именно с использованием этой системы КЭ моделирования. Особо важно, что геометрия поверхности среды для отображения поля акустических давлений в данном случае определяется пользователем средствами системы PATRAN и может иметь любую форму, не имеющую ограничений, накладываемых модулем ACULA3D. Графический пользовательский интерфейс (ГПИ) программного комплекса представляет собой стандартный графический интерфейс, использующийся для WINDOWS приложений. При создании ГПИ были учтены все наиболее распространенные средства, используемые при разработке ГПИ для WINDOWS (клавиши отмены действия, наличие строки состояния, контекстные подсказки, горячие клавиши, система предупреждений об ошибках, полосы прокрутки и т.д.). Для визуального отображения пользователь может активировать следующие результаты расчета вынужденных колебаний модели на каждой рассчитанной частоте:
Исследование акустических характеристик эластичной звукоизолирующей оболочки (ЭИО) межвагонного перехода высокоскоростного поезда «Сокол-250»
В данной главе выполнены исследования, раскрывающие возможности разработанного математического аппарата и программного комплекса для исследования акустических процессов внутри замкнутых объемов, вызываемых структурной вибрацией окружающих поверхностей. В технической акустике шум, вызванный структурным шумом (вибрациями), и шум, проникающий в помещение по воздушной среде, считают двумя раздельными источниками шума и их рассматривают независимо [65]. Сохраним этот подход при расчетах обитаемых модулей транспортных средств, таких, например, как кабины автомобилей, салоны автобусов, каюты и обитаемые помещения судов, салоны самолетов и т.п. Кроме того, для более точного определения уровней шума внутри салонов автомобилей и помещений судов необходимо учитывать также влияние внешнего воздушного или подводного шума, создаваемого как работающими механизмами (выпуск отработанных газов глушителем, шум винтов), так и взаимодействием корпуса судна со льдом.
Основными акустическими критериями обитаемости и экологии служат уровни звуковых полей, воздействующих на находящийся там персонал и приборы. Таким образом, на первый план при оценке акустического качества помещений и модулей транспортных средств выходят: - максимальные уровни звукового давления внутри помещения; - картина распределения уровней звукового давления по всему пространству помещения, включая возможность визуального анализа распределения давлений на отдельных внутренних плоскостях и излучаемой внутренней поверхности; - собственные частоты и формы колебаний конструкции помещений; - собственные частоты и формы колебаний среды внутреннего объема помещений. В автомобильной промышленности важным этапом исследований является определение уровней вибрации и воздушного шума в кабинах и салонах автомобилей на стадии проектирования. Поэтому методы математического и экспериментального моделирования широко используются в конструкторских бюро всех автопроизводящих предприятий. Численные методы математического моделирования обеспечивают оперативность в принятии конструкторских решений и относительно низкую степень затрат. В ряде материалов фирмы SYSNOISE и публикациях в журнале JASA [34] указывается, в частности, что когда суммарную интенсивность звукового поля внутри салона автомобиля снизить не удается, удается изменить картину распределения уровней звукового поля так, что около подголовников сидений уровни звукового давления снижаются, а около днища и ковриков повышаются на заданных частотах. То есть, путем перераспределения картины звукового поля в помещениях возможно снижение воздействия шума на определенных частотах в тех зонах помещений, где располагается персонал (рабочие места, места сна и отдыха). В публикациях последних лет, в частности, в журнале «Sound and Vibration» [35] особое внимание уделяется разработке математического аппарата и программного обеспечения, позволяющего оценивать уровни звукового поля внутри помещений на инфразвуковых частотах. Существующие отечественные методики такими возможностями не обладают. При проектировании судовых помещений существуют две основные практические задачи, связанные со снижением шумности[бб]: - уменьшение неприятного воздействия и громкости шума; - увеличение разборчивости речи. Если решение первой задачи требует ослабления наиболее неприятных для человека колебаний в области высоких частот, то при восприятии команд и телефонных переговоров личного состава необходимо обеспечить разборчивость речи. Эта задача требует, в первую очередь, снижения шума в области основных составляющих речи (300-3000 Гц). В кораблестроении существующие методики по определению уровней воздушного шума в обитаемых помещениях кораблей и судов направлены на оценку общего уровня шума в помещении при шумовом и вибрационном воздействии на него со стороны соседних помещений, в том числе и тех, где находится шумящее виброактивное оборудование. Однако, применение их крайне затруднительно к таким объектам, где требуется получить пространственную картину распределения звуковых полей. Кроме этого, применимость существующих методик ограничивается тем диапазоном частот, в котором звуковое поле имеет диффузный характер. Диапазон низких и средних частот, где звуковое поле имеет волновой характер, они не охватывают. Возможности созданного пакета ACULA 3.1 применительно к расчету виброакустических характеристик судовых помещений представлены в разделе 3.1. Разработанный программный комплекс позволяет получить визуальную картину распределения звукового поля в области низких и средних частот как в объеме помещения, так и на любых заданных внутренних поверхностях и излучающей внутренней поверхности помещения. В разделе 3.2 приведено расчетно-экспериментальное исследование виброакустических характеристик конструкции кабины автомобиля МАЗ. Расчеты собственных частот и форм колебаний подтверждены результатами экспериментальных исследований. Результаты выполненной работы и принципы построения расчетных моделей могут быть распространены на другие классы машин автомобильной промышленности. Раздел 3.3 посвящен расчетно-экспериментальному определению звукоизоляции эластичной звукоизолирующей оболочки межвагонного перехода высокоскоростного поезда.
Исследование виброакустических характеристик и излучения Челночного ледового танкера
Представленный в данной работе программный комплекс предназначен для расчета вибрационных и акустических характеристик внутренних полей транспортных средств и инженерных сооружений. Однако для получения более точных результатов расчета «внутренней» задачи в некоторых случаях необходимо получить данные по внешнему шуму, создаваемому работой различных механизмов или взаимодействием конструкции с окружающей средой. Так, например при движении судов во льдах шум создаваемый трескающимся льдом вносит весьма существенный вклад в уровень звукового давления внутри помещений судна. То же можно сказать и о шумовом воздействии, вызванном например, выпуском отработанных газов глушителем автомобиля. Как следствие, следующим шагом в развитии данного программного продукта является создание законченного программного модуля для расчета задач внешнего излучения, включая задачу дифракции. Однако, математические модели, алгоритмы и программные разработки, представленные в данной работе, позволяют уже сейчас решать некоторые задачи связанные с внешним звукоизлучением. В данной главе представлены возможности использования разработанного программного комплекса в задачах внешнего излучения применительно к исследованию .динамических и акустических характеристик реальных объектов морской техники на примере судна ледового плавания (СЛП) и расчета акустических характеристик глушителя автомобиля МАЗ 630300.
При расчете акустических характеристик Челночного ледового танкера применены принципы формирования КЭ/ГЭ моделей конструкций с учетом частичного погружения во внешнюю акустическую среду, которые распространяются на весь диапазон частот, где применим совместный МКЭ/МГЭ. Т.к. излучающая поверхность по условиям расчета должна быть замкнутой, то нельзя просто выделить часть корпуса ниже ватерлинии в излучающую поверхность. Один из путей решения данной проблемы заключается в переводе задачи в плоскость модальных координат. Вначале рассчитываются собственные частоты и формы колебаний полной «сухой» конструкции корпуса. Затем создается гранично-элементная сетка излучающей поверхности ниже ватерлинии. Следующий этап построения КЭ/ГЭ модели сводится к построению такой новой конструкции, излучающая поверхность которой будет замкнутой при сохранении старых динамических характеристик. В связи с этим, расчетные модели системы «структура-среда» претерпевают для объектов, частично погруженных в акустическую среду, существенные изменения. Так, на уровне ватерлинии вводится искусственная зеркальная плоскость симметрии, затем корпусные конструкции выше ватерлинии и подстройка отбрасываются, а в пустое полупространство зеркальным образом переносится часть корпуса, находящаяся ниже ватерлинии. Таким образом, построена замкнутая излучающая поверхность. Решение задачи выполняется в модальных координатах, т.е. вся информация по возможным колебаниям отброшенной части структуры выше ватерлинии как, впрочем, и по всей структуре, содержится в модах колебаний, полученных для всего объекта на первом этапе, где определяются собственные частоты и формы колебаний полной «сухой» конструкции. При введении искусственной зеркальной плоскости симметрии производится наложение мод колебаний всей конструкции на излучающую поверхность ниже ватерлинии с последующим усечением (редукцией) матрицы мод колебаний таким образом, чтобы обеспечить соответствие степеней свободы излучающей поверхности ниже ватерлинии и модальных векторов новой системы. После этого производится зеркальное отражение результата наложения на структуру, находящуюся выше ватерлинии. В этом случае решение задачи излучения переводится в стандартное русло, поскольку искусственно созданная конструкция корпуса полностью погружена в окружающую среду. Опыт разработки нефтяных месторождений, расположенных в Мировом океане показал, что существует серьезная экологическая проблема, связанная с шумовым загрязнением окружающей среды, вызываемым как работой буровых платформ и терминалов, так и шумом от обслуживающих данное месторождение судов. Повышенные уровни шума в местах обитания морских млекопитающих и ластоногих могут привести к уменьшению и, даже, исчезновению их популяций. Избыточные уровни звукового давления на пути миграции редких и ценных пород рыб могут привести к прекращению нереста в этом регионе. В связи с вышесказанным, существенным фактором представляется определение характеристик распределения акустических полей от работающих в районе нефтяных месторождений судов обслуживания на стадии их проектирования. В качестве объекта исследований рассматривалась конструкция Челночного ледового танкера (ЧЛТ), входящего в морскую транспортную систему обеспечения Приразломного нефтяного месторождения. Челночный ледовый танкер представляет собой судно водоизмещением около 73 тыс. т., предназначенное для перевозки нефти от месторождений, расположенных в районах крайнего севера.
