От центров обработки данных и промышленного оборудования до автомобильной промышленности, аэрокосмической отрасли и обороны (A&D) — инженеры уделяют первостепенное внимание характеристикам шума и вибрации, чтобы соответствовать стандартам безопасности, оправдывать ожидания потребителей и улучшать пользовательский опыт.
Независимо от отрасли или применения, проблемы с шумом и вибрацией включают общие физические процессы, в том числе электромагнитные силы, гидродинамику, механические дефекты и конструктивные узлы. Эти разнообразные факторы охватывают акустические и вибрационные явления — от магнитных сил и турбулентности до механических дисбалансов и проблем в соединениях. Эффективное решение этих задач требует многофизичных решений.
Используя решения для многофизичного моделирования от Ansys (компании в составе Synopsys), инженеры могут анализировать, выявлять и предотвращать проблемы с шумом и вибрацией в различных физических доменах. Эти данные позволяют повысить качество продукции (от уровня звука и безопасности до удобства использования), а также увеличить срок службы изделия.
Применение многофизичного подхода
Физические явления не происходят по отдельности или изолированно. Электромагнитные, гидродинамические, структурные и тепловые силы взаимодействуют одновременно и влияют друг на друга. Многофизичное моделирование объединяет различные физические решатели в единую вычислительную среду, что позволяет инженерам точно моделировать физическое поведение всей системы одновременно.
Давайте рассмотрим, как моделирование помогает обнаруживать проблемы вибрации и шума электромагнитного происхождения в электрической машине. Инженеры могут рассчитывать эти силы, моделировать вынужденные структурные колебания с помощью гармонического отклика и оценивать излучение структурного шума, анализируя эквивалентную излучаемую мощность (ERP) или выполняя полные расчеты гармонической акустики.
В типичном рабочем процессе вы можете преобразовать тангенциальные силы (создающие крутящий момент) и радиальные силы (вызывающие шум и вибрацию) из временной области в частотную с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), используя передовой решатель электромагнитного поля Ansys Maxwell или специализированный инструмент проектирования электродвигателей Ansys Motor-CAD для многофизичного моделирования. Затем эти преобразованные силы можно перенести в модель структурного модального анализа в программном обеспечении для структурного конечного элементного анализа Ansys Mechanical, чтобы определить вибрационный и акустический отклик.
Интегрируя многофизичное моделирование, инженеры могут обнаруживать проблемы с шумом и вибрацией электромагнитного происхождения в электрических машинах.
Кроме того, благодаря встроенному модулю анализа и оптимизации optimetrics в программном обеспечении Maxwell инженеры могут автоматически тестировать и рассчитывать характеристики электродвигателя в широком диапазоне рабочих скоростей без необходимости настраивать каждый тест вручную.
Шум, создаваемый жидкостью, можно в целом классифицировать как чистую аэроакустику, что означает, что источник и путь шума находятся в области жидкости. Например, воздух является одновременно источником и путем передачи акустической энергии для вентилятора. И наоборот, аэровиброакустика возникает, когда источник в потоке жидкости воздействует на твердую конструкцию, которая затем излучает шум. Например, плещущаяся внутри центробежного насоса вода заставляет вибрировать стенки насоса, из-за чего его внешняя поверхность излучает шум в окружающий воздух.
Для анализа поведения центробежного насоса с точки зрения шума и вибрации вы можете использовать инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) в программном обеспечении для моделирования жидкостей Ansys Fluent, чтобы преобразовать переходное давление жидкости в возбуждения в частотной области, а затем экспортировать эти данные в структурную модель с помощью файла общей системы нотации CFD (.cgns). Вы также можете зафиксировать реактивные силы и моменты на стыках подшипников из результатов многомашинной динамики рабочего колеса и применить оба типа возбуждений (от жидкости и подшипников) к анализу гармонического отклика. Это помогает определить возбужденные формы колебаний и оценить акустическую энергию, излучаемую панелями конструкции.
Используя вычислительную гидродинамику (CFD) и другие решения для многофизичного моделирования, инженеры могут анализировать шум, вибрацию и аэровиброакустические характеристики центробежного насоса.
С механической точки зрения кинематика описывает движение объектов путем отслеживания их положения, скорости и ускорения. На примере электрической трансмиссии кинематическое моделирование вибрации и акустики позволяет прогнозировать поведение оборудования по уровню шума и вибрации путем анализа данных во временной области для электромагнитных сил и сил в зубчатых передачах с помощью инструментов многомашинной динамики, таких как программа для многомашинного моделирования Ansys Motion.
Этот подход оценивает ошибки передачи, вызванные крутящим моментом и несоосностью, для изучения вибрации корпуса и влияния дефектов коробки передач (таких как питтинг или трещины в зубьях) при различных рабочих скоростях.
Многофизичное моделирование, включая электромагнитный анализ и многомашинную динамику, может помочь инженерам прогнозировать проблемы с шумом и вибрацией кинематического происхождения в электрических трансмиссиях.
Учет особенностей восприятия звука
На уровне путей распространения одним из наиболее критических факторов, влияющих на шум и вибрацию, являются свойства материалов, особенно демпфирование — способность материала рассеивать механическую энергию, обычно за счет преобразования вибраций в тепло.
Для контроля вибрации и воздушного шума инженеры должны точно моделировать поведение материалов в различных условиях. Компоненты для гашения вибрации, такие как резиновые опоры, меняют свои свойства в зависимости от температуры и частоты, что требует применения расширенных методов моделирования и данных реальных испытаний для точного прогнозирования. Как только вибрация превращается в воздушный шум, для его поглощения используются акустические материалы, такие как пеноматериалы и звукоизоляционные прокладки, хотя блокирование низкочастотного шума остается сложной конструкторской задачей. В конечном счете анализ влияния толщины материалов, их расположения и воздушного потока имеет решающее значение для снижения шума в таких пространствах, как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и моторные отсеки.
Помимо физической механики звука, такой как вибрация, поглощение и частота, инженеры изучают психоакустику, чтобы понять, как люди воспринимают качество звука продукции помимо традиционных акустических измерений. После того как энергия проходит от источника по пути распространения, она достигает приемника — то есть нас, людей.
Психоакустический анализ помогает инженерам оптимизировать качество звука и воспринимаемый шум изделия помимо стандартных метрик уровня звукового давления. Используя встроенный модуль Sound Insights в программном обеспечении Mechanical, инженеры могут рассчитывать специфические психоакустические показатели, такие как тональность для электродвигателей или резкость для модулированных звуков, что позволяет им оптимизировать конструкции для улучшения восприятия потребителями, а не просто для снижения уровня звукового давления. Инженеры также могут экспортировать эти результаты моделирования в программное обеспечение для постобработки звукового дизайна Ansys Sound, чтобы автоматизировать акустическую постобработку или настроить рабочий процесс Python с помощью инструмента PyAnsys Sound tool.
Моделируя психоакустические параметры, инженеры могут рассчитывать специфические показатели, такие как тональность, что позволяет им оптимизировать конструкции для улучшения восприятия потребителями, а не просто ради снижения громкости.
Изучение психоакустики, а также лежащей в ее основе мультифизики, помогает инженерам проектировать продукцию, соответствующую стандартам шумовых характеристик. Стандарты и регулирующие органы, такие как Управление по охране труда (OSHA), Международная организация по стандартизации (ISO) и Института кондиционирования воздуха, отопления и холодильной техники (AHRI), определяют допустимые пределы шума, но не предоставляют готовых проектных решений. Поэтому целевые показатели акустических и вибрационных характеристик следует закладывать на ранних этапах цикла проектирования, а не проверять их в самом конце. Внедряя моделирование на ранней стадии, инженеры могут с высокой точностью прогнозировать поведение шума и вибрации, находить баланс между компромиссными характеристиками и предотвращать дорогостоящие переделки на поздних этапах.
Улучшение характеристик шума и вибрации с помощью моделирования
Улучшение шумовых и вибрационных характеристик требует комплексного системного подхода, учитывающего взаимодействие между источником, путем передачи и приемником, при этом на первое место выходят такие метрики восприятия человеком, как тональность и громкость, а не просто уровень звукового давления. Решая эти проектные задачи на ранних этапах с помощью мультифизического моделирования, инженеры могут сместить акцент с простого снижения шума на проектирование того, как именно воспринимается продукт.
Компания Ansys стремится совершенствовать промышленные процессы и оборудование с помощью инновационных решений, а также помогать инженерам управлять шумом и вибрацией посредством мультифизического моделирования. Чтобы узнать больше, посмотрите вебинар по запросу: Создание бесшумных продуктов: от конструкционных вибраций до аэроакустического шума.
Специально для вас. У нас есть дополнительные материалы, которые могут вам понравиться.
ОЗНАКОМИТЬСЯ
