ANSYS. Continuazione dell'introduzione Meshing. Calcolo dell'acustica in Ansys CFX Simulazione di onde acustiche in flusso ansys

Analisi dell'acustica in ANSYS Mechanical 15.0

Sergey Khrulev
Ingegnere del supporto tecnico, Gruppo di società PLM Ural - Delkam-Ural

Da oltre 40 anni ANSYS, Inc. sviluppa una linea dei suoi prodotti per calcoli ingegneristici e rilascia regolarmente versioni aggiornate, ascoltando le esigenze e i desideri degli utenti. Il gruppo di società "PLM Ural" - "Delkam-Ural" continua a informare i lettori della rivista sulle innovazioni della versione dell'ingegneria software ANSYS 15.0. Questa pubblicazione si concentrerà sui prodotti software per la risoluzione di problemi acustici e vibroacustici.

Modellazione dell'acustica

Nella versione 15.0 ANSYS consente di indagare l'origine, la propagazione, l'emissione, l'assorbimento e la riflessione delle onde di pressione sonora in un ambiente acustico. L'acustica in ANSYS Mechanical è una libreria completa di acustica elementi finiti, un ampio insieme di proprietà acustiche dei materiali, coniugano l'interazione strutturale-acustica per risolvere problemi di vibroacustica, alte prestazioni soluzioni, applicazioni per la licenza ANSYS Multiphysics. L'analisi acustica era precedentemente disponibile solo in Mechanical APDL ("classico" ANSYS), ma con l'avvento del modulo ACT (Application Customization Toolkit), ora è implementato in ANSYS Workbench.

Utilizzando le capacità acustiche del pacchetto, è possibile risolvere molti problemi urgenti, come ad esempio: eliminare il rumore nelle auto; minimizzare il rumore nelle macchine di produzione; acustica di edifici e strutture; progettazione di apparecchi acustici; ricerca di idroacustica; sviluppo di sonar, altoparlanti, filtri acustici, silenziatori e altri dispositivi simili; esplorazione geofisica; aeroacus tica. Tutti questi compiti sono risolti sia in formulazione planare che volumetrica utilizzando moduli Modali, Armonici e Transitori (temporal eie dominio della frequenza), così come accoppiamento completo o unilaterale di calcoli per la risoluzione di problemi vibroacustici.

Nell'analisi modale vengono determinate le frequenze naturali e le modalità di vibrazione. È possibile impostare l'impedenza e le interazioni strutturali come condizioni al contorno. I risolutori utilizzati includono i metodi Lanczos, Subspace, Damped e Unsymmetric Matrix (Block Lanczos, Subspace, Damped e Unsymmetric).

L'analisi armonica calcola la risposta del sistema in funzione della frequenza di azionamento in base alla portata volumetrica o alla pressione di azionamento. Risposta del sistema nel tempo dila th area è definita nell'analisi non stazionaria (Transient).

Il banco da lavoro ha anche i mezzi per trasferire le forze elettromagnetiche dal modulo Maxwell al meccanico. Ciò è utile nella progettazione di strutture in cui le vibrazioni meccaniche generate dalle forze elettromagnetiche sono fonti di rumore significativo.

Vibroacustica

Le attività vibroacustiche implicano una valutazione dell'impatto sulla struttura sia del rumore che degli effetti delle vibrazioni. La versione ANSYS 15.0 offre per l'analisi vibroacustica un accoppiamento completo (utile per risolvere problemi idroacustici) o unilaterale di due tipi di calcolo.

L'accoppiamento unilaterale è più efficace per i calcoli acustici di una struttura a condizione che l'effetto acustico su di essa possa essere trascurato. I risultati dell'analisi strutturale in questo caso vengono applicati come eccitazione acustica. Le analisi strutturali (eigenform o complete) e acustiche sono presentate in due diversi moduli di analisi armonica. Le velocità di vibrazione dei nodi del modello vengono trasmesse all'analisi acustica armonica utilizzando un collegamento nel diagramma di progetto. Inoltre, i dati possono essere trasferiti esternamente utilizzando dati esterni o file ASI, che, a differenza dei collegamenti precedenti, supportano una mesh conforme.

Con la coniugazione completa, le equazioni strutturali e acustiche possono essere risolte utilizzando il metodo della matrice asimmetrica o simmetrica: quest'ultimo è più efficiente. L'analisi vibrazionale-acustica completamente accoppiata include anche l'interazione con elementi piezoelettrici, che, a sua volta, consente di risolvere molti problemi strettamente correlati, fino alla progettazione di sensori e altoparlanti.

Carichi e condizioni al contorno

Quando si risolvono problemi vibroacustici, vengono impostati i carichi e le condizioni limite corrispondenti.
Prima di tutto, queste sono fonti di pressione sonora, che può essere un'onda piana (il suo fronte ha la forma di un piano), un monopolo, un dipolo, ecc.

Inoltre, è possibile impostare la velocità di propagazione dell'onda (anche in funzione della frequenza), la sorgente di massa nell'equazione dell'onda (attiva le onde di pressione in tutte le direzioni), l'impedenza e il coefficiente di assorbimento (entrambi come funzioni della frequenza) ...

Diffusione del suono

L'acustica studia lo scattering come un processo: le onde sonore sono diffuse da oggetti solidi o quando si propagano attraverso uno spazio disomogeneo (ad esempio, onde sonore nell'acqua di mare provenienti da un sottomarino).

su una struttura di diffusione

Il modello del problema acustico è solitamente una struttura immersa in un ambiente ideale omogeneo infinito. In FEM, per ridurre il costo delle risorse informatiche e dei tempi di progettazione, è necessario ridurre l'area in esame. Le condizioni di assorbimento delle onde ci consentono di simulare una porzione più piccola della regione e di assumere che le onde in uscita si propagano verso l'esterno senza riflessione. Esistono tre tipi di condizioni di assorbimento delle onde:

Strati perfettamente abbinati Le condizioni sono strati di elementi finiti che assorbono la pressione progettati per troncare la mesh di un dominio FE aperto nell'analisi armonica. Questo metodo non è applicabile nelle analisi modali e non stazionarie;

Limite di radiazione: limita il rapporto tra pressione e velocità di emissione delle onde, coefficiente di assorbimento;

Infinite Fluid Elements (ambiente semi-infinito): la definizione di elementi assorbenti del secondo ordine (ad esempio, FLUID130 o FLUID129) al confine della parte modellata dell'ambiente.

Elaborazione dei risultati

I risultati ottenuti nel calcolo possono riferirsi non solo al campo vicino (griglia FE), ma anche a quello lontano. L'elaborazione del campo lontano consente di selezionare un punto a una distanza, al di fuori della griglia, per la stampa.

Dopo aver risolto il problema acustico, potrebbe essere necessario calcolare alcuni parametri di propagazione acustica per il sistema. Ad esempio, potenza di ingresso e potenza di uscita, perdita di ritorno, attenuazione e perdita di trasmissione.

Prestazioni della soluzione di analisi armonica

Esistono due metodi per risolvere l'analisi armonica. Uno, il metodo completo, risolve l'equazione della matrice a ciascuna frequenza. Il secondo, VT (Variational Technology), è un metodo di soluzione alternativa che si basa sull'algoritmo di sweep armonico del metodo completo ed esegue la decomposizione della matrice a frequenze di campionamento ed esegue uno sweep di frequenza veloce. Il metodo VT non supporta materiali / carichi dipendenti dalla frequenza, algoritmo accoppiato simmetrico, materiali perforati (cioè, contenenti vuoti o che li tengono in considerazione), accoppiamento unidirezionale e bidirezionale (vibroacustica).

pressione a una frequenza di 700 Hz

Esempi applicativi

Alcuni degli esempi più importanti di progetti che richiedono analisi acustiche sono beni di consumo come altoparlanti e silenziatori.

Anche l'analisi acustica completa del coniugato gioca un ruolo importante nella progettazione del risonatore a quarto d'onda. Per ridurre il livello di pressione sonora, i suoi pannelli sono assemblati da tubi di vari diametri e lunghezze. L'assorbimento della pressione sonora a determinate frequenze da parte del pannello risonatore avviene anche a causa dell'attrito viscoso interno.

silenziatore riflettente

Conclusione

Il gruppo di società "PLM Ural" - "Delkam-Ural" è un rappresentante autorizzato della società ANSYS, Inc. sul territorio della Russia e della CSI da più di 20 anni ed è impegnata in consulenza, ingegneria, implementazione software, supporto tecnico e formazione. La nostra azienda dispone di uno staff di tecnici specialisti altamente qualificati certificati dallo sviluppatore con esperienza pluriennale nell'esecuzione di calcoli vari. Vogliamo che le pubblicazioni siano interessanti per i lettori, quindi ti invitiamo a partecipare alla selezione degli argomenti più rilevanti per la discussione sulle pagine della rivista. Stiamo aspettando i vostri desideri sui nostri siti web (www.cae-club.ru,
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risonatore

1 L'impedenza acustica è il rapporto tra l'ampiezza complessa della pressione sonora e la velocità vibratoria volumetrica (quest'ultima indica il prodotto della componente normale mediata per area della velocità vibrazionale per l'area per la quale è determinata l'impedenza acustica).

2 Una mesh conforme agli elementi finiti è quella in cui le superfici di contatto hanno nodi comuni.

3 Monopole è un emettitore ideale che crea un'onda divergente sfericamente simmetrica;

4 Dipolo - due monopoli con lo stesso modulo e velocità del volume in direzione opposta, situati a una piccola distanza rispetto alla lunghezza d'onda;

5 La dispersione è un processo fisico generale in cui alcuni tipi di radiazioni, come la luce, il suono o le particelle in movimento, sono costretti a deviare da un percorso rettilineo a causa di una o più disomogeneità localizzate nel mezzo.

Integrando la piattaforma COMSOL Multiphysics® di base con l'Acoustics Module, è possibile accedere a metodi specializzati di analisi delle vibrazioni e delle vibrazioni acustiche che estendono le capacità del pacchetto software COMSOL®.

Il modulo Acustica include strumenti per modellare le seguenti attività:

• Assorbitori e smorzatori
• Mascheramento acustico
• Emissione sonora
• Correnti acustiche

• Microfoni
• Dispositivi mobili
• Forme di stanze e strutture oscillanti
• Silenziatori

• I compiti dell'acustica biologica
• Onde acustiche in massa (BAW - BAW)
• Acustica delle sale da concerto
• Acustica di convezione
• Instabilità di combustione
• Misuratori di portata Coriolis
• Acustica interna dell'auto
• Diffusori
• Trasduttori elettroacustici
• Flussometri
• Rumore del flusso del fluido
• Interazione fluido-struttura nel dominio della frequenza
• Apparecchi acustici
• Caratteristiche dell'impulso
• Rumore del motore a reazione
• Altoparlanti
• Sensori acustici microelettromeccanici
• Microfoni microelettromeccanici

• Strumenti musicali
• Rumore e vibrazioni da apparecchiature meccaniche
• Materiali fonoassorbenti e isolamento acustico
• Prove e ispezioni non distruttive (NDT)
• Esplorazione di petrolio e gas
• Trasduttori piezoacustici
• Silenziatori reattivi e ad assorbimento
• Acustica della stanza e dell'edificio
• Erogatori
• Sensori e ricevitori
• Dispositivi ecoscandaglio (ecoscandagli)
• Onde acustiche di superficie (SAW - SAW)
• Insonorizzazione
• Vibroacustica
• Woofer, subwoofer e subwoofer
• Ultrasuoni
• Misuratori di portata ad ultrasuoni
• Acustica subacquea (idroacustica)

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Accoppiamenti multifisici

Disponibile direttamente nel modulo Acustica:

• Interazione di onde acustiche e vibrazioni in strutture solide (ASI)
• ASI in materiali piezoelettrici
• Interazione delle onde acustiche e poroelastiche
• Interazione di onde poroelastiche e vibrazioni in strutture solide
• Accoppiamento di regioni acustiche descritte sulla base di FEM e BEM (FEM e BEM)
• Accoppiamento di regioni acustiche, descritto sulla base di acustica scalare e termoviscosa
• Interazione delle onde acustiche tenendo conto delle perdite e delle vibrazioni termiche e viscose nelle strutture solide (Thermoviscous ASI)
• Interazione delle onde acustiche tenendo conto dei flussi di fondo (aeroacustica) e delle vibrazioni nelle strutture solide (Aero ASI)

Disponibile con moduli di espansione aggiuntivi:

• Interazione di onde acustiche e vibrazioni in gusci solidi
• Interazione delle onde acustiche tenendo conto delle perdite termiche e viscose e delle vibrazioni e vibrazioni nei gusci solidi
• Propagazione del suono nei sistemi di tubazioni
• L'obiettivo caratteristiche elettriche convertitori basati su modelli concentrati
• Impostazione delle proprietà elettrodinamiche di magneti, bobine e acciai dolci nei trasduttori acustici
• Contabilizzazione del flusso di fondo medio in aeroacustica
• Interazione di onde poroacustiche e vibrazioni in gusci solidi

Il modello presentato esplora le modalità proprie della stanza. Ai confini esterni, sono state impostate condizioni di impedenza complesse, simulando le proprietà di assorbimento acustico dei materiali utilizzati nella decorazione della stanza.

Distribuzione dei livelli di pressione sonora all'interno del veicolo generati da un piccolo altoparlante sul cruscotto. Il modello è assemblato nell'interfaccia Scalar Acoustics e contiene esempi della complessa descrizione dell'impedenza per rivestimenti interni, tappeti, superfici in plastica e sedili.

Progettazione di un sonar sonar da una serie di trasduttori Tonpilz. Il modello utilizza accoppiamenti multifisici per tenere conto dell'interazione delle vibrazioni elastiche nel materiale piezoelettrico degli emettitori e delle onde acustiche nell'acqua, mentre l'acustica scalare è calcolata in base al metodo degli elementi al contorno. Il modello semplifica il calcolo e la visualizzazione dell'x-ki meccanico e del modello del fascio del sonar proiettato.

Modello per il calcolo delle vibrazioni in un classico cambio sincronizzato a cinque velocità e del rumore generato nell'ambiente. Lo studio non stazionario della dinamica multicorpo consente di calcolare la vibrazione del cambio ad un dato regime motore e ad un dato carico esterno. L'analisi acustica fornisce un'immagine della distribuzione del livello di pressione sonora nelle zone vicine e lontane.

Per simulare fenomeni acustici classici come lo scattering, la diffrazione, l'emissione e la propagazione di onde sonore, nel pacchetto sono disponibili numerose interfacce del gruppo "acustica scalare". Per problemi nel dominio della frequenza, l'equazione di Helmholtz viene utilizzata, per la ricerca nel dominio del tempo, la classica equazione delle onde scalari.

È stata sviluppata un'ampia gamma di condizioni al contorno ed è pronta per l'uso per descrivere gli effetti sui confini. Ad esempio, è possibile aggiungere una condizione al contorno per descrivere una riflessione su un muro o una condizione di impedenza per uno strato poroso. Le sorgenti di radiazioni possono essere aggiunte ai confini interno ed esterno, ad esempio, per impostare l'accelerazione, la velocità, lo spostamento o la pressione acustica. Inoltre, è possibile utilizzare condizioni di radiazione (come Sommerfeld) o condizioni al contorno periodiche come Floquet per definire confini aperti o periodici.

Le interfacce fisiche del gruppo "Scalar Acoustics" consentono di simulare la propagazione del suono in ambienti complessi, ad esempio in materiali porosi. Per calcolare le perdite nei materiali porosi e fibrosi, è possibile utilizzare uno dei numerosi modelli mediati, ad esempio il modello Delaney-Bazley o il modello Johnson-Shampoo-Allard. Le perdite termiche e viscose in regioni strette all'interfaccia con pareti rigide in guide d'onda strette di sezione trasversale costante possono essere prese in considerazione utilizzando il modello di acustica a regione stretta equivalente.

È inoltre possibile calcolare e visualizzare i campi esterni nei modelli con confini aperti sia nel campo vicino che in quello lontano. I grafici polari e i modelli di radiazione aiutano a visualizzare la sensibilità spaziale e le risposte spaziali.

Interfacce di gruppo di acustica scalare:

• Acustica della pressione, dominio della frequenza (Acustica scalare, dominio della frequenza)
• Progettato per risolvere i problemi descritti dall'equazione di Helmholtz tenendo conto di varie formulazioni ingegneristiche di condizioni al contorno e modelli materiali dei fluidi
• Analisi della frequenza naturale disponibile per calcolare le modalità acustiche del sistema e le modalità di vibrazione
• Progettato per la ricerca nella dinamica di propagazione di segnali acustici di forma arbitraria nello spazio
• Boundary Mode Acoustics (Acustica dei modi limite)
• Calcolo delle modalità di propagazione e smorzamento in guide d'onda e canali
• Acustica in pressione, elemento limite (acustica scalare, metodo degli elementi limite)
• Soluzione efficiente di problemi di radiazione e diffusione basata sul metodo degli elementi al contorno
• Si combina con interfacce basate sul metodo degli elementi finiti che descrivono, ad esempio, le vibrazioni nei solidi e nelle strutture, incl. materiali piezoelettrici
• Acustica a pressione, tempo esplicito (Acustica scalare, risolutore esplicito nel dominio del tempo
• Utilizza il metodo di Galerkin discontinuo per il calcolo della propagazione del suono non stazionario nelle stanze e per la modellazione efficiente (in termini di utilizzo delle risorse computazionali) di grandi problemi di scattering.

Aree di utilizzo:

• Silenziatori e fonoassorbenti
• Altoparlanti
• Emissione di rumore dalle apparecchiature
• Acustica interna dell'auto
• Forme di vibrazioni di locali e strutture edilizie
• Fonoassorbenti e diffusori
• Problemi di dispersione

Calcolo delle caratteristiche acustiche di una marmitta con materiale fonoassorbente poroso lungo le pareti. L'analisi armonica tiene conto delle perdite di sistema. L'immagine mostra il flusso di energia (intensità) e le isosuperfici visualizzate per l'ampiezza della pressione all'interno del dispositivo.

Altoparlante con cassa bass reflex posizionato su un piano acusticamente rigido infinito. Questo problema di radiazione è modellato utilizzando un approccio ibrido FEM-BEM: l'altoparlante viene ricreato utilizzando gusci descritti sulla base del metodo degli elementi finiti, anche l'acustica delle regioni interne è modellata con il metodo degli elementi finiti e lo spazio esterno e la radiazione sono modellati con il metodo degli elementi al contorno. Viene mostrata la distribuzione del livello di pressione sonora a una frequenza di 3000 Hz.

Utilizzando il modulo Acustica, è possibile simulare l'interazione tra acustica e meccanica strutturale in un particolare dispositivo o struttura. Le interfacce out-of-the-box consentono di esplorare gli effetti vibroacustici e collegare automaticamente le aree di un liquido o gas (fluido) e una struttura solida. Interfaccia Meccanica solida (Rigid Body Mechanics) utilizza formulazioni complete per descrivere la dinamica dei corpi rigidi, per modellare la propagazione delle onde di taglio e longitudinali nei solidi, nonché le vibrazioni elastiche. Interfaccia separata Onde poroelastiche (Poroelastic Waves) simula la propagazione accoppiata di onde elastiche e longitudinali in materiali porosi in base alle equazioni di Biot.

Gli accoppiamenti multifisici semplificano la combinazione di regioni porose, regioni solide, materiali piezoelettrici e regioni piene di fluido in un unico modello per il calcolo e la progettazione di dispositivi reali. Le proprietà armoniche e di risonanza delle strutture solide possono essere calcolate tenendo conto delle precompressioni e della comunicazione bidirezionale con l'acustica nel fluido.

Aree di utilizzo:

• L'influenza delle vibrazioni meccaniche sul funzionamento dei silenziatori
• Componenti per altoparlanti
  • Custodie per altoparlanti
  • Altoparlanti e altri emettitori
• Equipaggiamento meccanico
• Vibroacustica
• Cuffie
• Isolamento acustico e trasmissione del suono nei materiali da costruzione

• Trasduttori piezoelettrici
  • Trasduttori a ultrasuoni
  • Griglie radiatori lineari
  • Trasduttori idroacustici (ecoscandagli)
  • Array sonar
• Modellazione dettagliata di materiali porosi e onde poroelastiche (teoria di Biot)
• Attività di feedback

L'analisi armonica del funzionamento dell'altoparlante nell'invertitore di fase permette di determinare la sensibilità assiale e spaziale. In questo modello, nell'ambito di un singolo calcolo, viene combinato il calcolo di un guscio meccanico e l'acustica scalare utilizzando un accoppiamento multifisico preconfigurato.

Studiando la risposta in frequenza del trasduttore tipo Tonpilz, è possibile stabilire e determinare tutte le principali caratteristiche acustiche e meccaniche di un dato dispositivo: deformazioni e sollecitazioni nel dispositivo, segnale acustico emesso, livello di pressione sonora, diagramma di radiazione in campo lontano, coefficiente di trasmissione della tensione e direzionalità del raggio sonoro ...

Utilizzando i principi dell'acustica geometrica, implementati nel pacchetto software COMSOL ®, è possibile studiare sistemi ad alta frequenza in cui la lunghezza d'onda del suono è significativamente inferiore alle loro dimensioni geometriche caratteristiche. Questa funzionalità è utile per l'analisi acustica di interni di automobili, stanze ed edifici, ad esempio sale da concerto, nonché per simulare la propagazione del suono sott'acqua e nell'atmosfera.

Aree di utilizzo:

• Acustica della stanza
• Acustica delle sale da concerto
• Idroacustica subacquea
• Acustica interna dell'auto
• Propagazione del suono in spazi aperti
• Acustica atmosferica

Modello per il calcolo dell'acustica di una piccola sala da concerto utilizzando un'interfaccia Ray acustica (Acustica geometrica). Ai bordi della sala sono specificate le proprietà di assorbimento in funzione della frequenza e le proprietà di diffusione. Una risposta all'impulso si ottiene sulla base di un'opzione specializzata nella post-elaborazione.

Interfaccia Equazione di diffusione acustica consente di trovare la distribuzione stazionaria del livello di pressione sonora (o densità di energia acustica) per una data sorgente sonora situata in un edificio a due piani. Il solutore di autovalori calcola i tempi di riverbero in ogni stanza dell'edificio. Le curve di decadimento energetico possono essere trovate utilizzando uno studio non stazionario.

È possibile risolvere in modo efficiente i problemi di aeroacustica computazionale (CAA) utilizzando l'approccio in due fasi implementato nel modulo Acustica. Nella prima fase, il flusso medio di fondo viene calcolato utilizzando gli strumenti del modulo CFD oppure il profilo di flusso viene impostato manualmente dall'utente; nella seconda fase viene risolto il problema della propagazione del suono. Questo approccio è indicato anche come acustica di convezione o modellazione del rumore di flusso.

Sono disponibili le seguenti formulazioni agli elementi finiti stabilizzati:

• Navier-Stokes linearizzato (equazioni di Navier-Stokes linearizzate)
• Eulero linearizzato
• Flusso potenziale linearizzato

Queste formulazioni tengono naturalmente conto della propagazione del suono nel flusso, convezione, attenuazione, riflessione e diffrazione delle onde acustiche nel flusso. È anche possibile eseguire analisi FSI delle interazioni fluido-struttura nel dominio della frequenza utilizzando relazioni predefinite con interfacce per il calcolo di strutture elastiche solide.

Aree di utilizzo:

• Rumore del motore a reazione
• Silenziatori, incl. con filo di sfondo
• Flussometri
• Misuratori di portata Coriolis
• Analisi di schermi antivibranti, strutture fonoassorbenti e forate in presenza di flusso
• Instabilità di combustione

Analisi acustica di un risonatore di Helmholtz e l'effetto del flusso medio in un modello utilizzando un'interfaccia Navier-Stokes linearizzato, dominio della frequenza (Equazioni di Navier linearizzate - Stokes, dominio della frequenza). Nel modello, nel calcolo delle caratteristiche acustiche del risonatore, vengono presi in considerazione gli effetti convettivi nel flusso e lo smorzamento causati dalla turbolenza.

Viene simulato il campo acustico di una camera di aspirazione assialsimmetrica in un motore turbofan di un aeromobile, creato da una sorgente di rumore al confine. I risultati della simulazione sono stati ottenuti per i casi in cui si tiene conto di un flusso di fondo irrotazionale comprimibile e senza di esso, e tale quando si prendono in considerazione pareti rigide e pareti con rivestimento fonoassorbente.

Per un'analisi accurata della propagazione del suono in piccole geometrie, è necessario tenere conto delle perdite associate alla viscosità e alla conducibilità termica, in particolare, le perdite negli strati limite viscosi e termoacustici. Questi effetti vengono presi automaticamente in considerazione nelle equazioni che vengono risolte dalle interfacce nel gruppo di acustica Thermoviscous.

Queste interfacce sono adatte per il calcolo di modelli vibroacustici in trasduttori elettroacustici miniaturizzati: microfoni, dispositivi mobili, apparecchi acustici e dispositivi microelettromeccanici. Per la modellazione dettagliata dei trasduttori, è possibile utilizzare gli accoppiamenti multifisici incorporati tra strutture solide e regioni del fluido, descritti in termini di acustica termoviscosa.

L'interfaccia tiene conto anche degli effetti aggiuntivi associati, ad esempio, al passaggio dalla modalità adiabatica a quella isotermica alle basse frequenze. Un'interfaccia separata consente il calcolo e il rilevamento delle modalità di propagazione e smorzamento per guide d'onda e canali stretti.

Aree di utilizzo:

• Dispositivi mobili
• Convertitori in miniatura
• Sistemi microelettromeccanici
• Apparecchi acustici
• Microfoni
• Materiali e piastre forate

La risposta di trasferimento del ricevitore ad armatura bilanciata Knowles ED23146 in misurazioni standardizzate. I risultati della simulazione per questo altoparlante in miniatura sono in accordo molto meglio con i dati empirici di Knowles quando si tiene conto delle perdite acustiche del sistema.

Interfacce di gruppo Ultrasuoni (Ultrasound) consente di calcolare la propagazione non stazionaria delle onde sonore su distanze superiori alla lunghezza d'onda. Le onde acustiche con una frequenza che l'orecchio umano non può sentire sono chiamate ultrasuoni. La lunghezza d'onda ultrasonica è relativamente breve.

Interfaccia Equazione delle onde convettive, tempo esplicito (Convection wave equation, explicit solver) consente studi numerici di grandi problemi acustici lineari nel dominio del tempo, tenendo conto di un ampio spettro di oscillazioni e di un flusso di fondo stazionario. Le interfacce sono ideali per modelli non stazionari con sorgenti arbitrarie e campi dipendenti dal tempo.

La formulazione dell'interfaccia e lo schema di progettazione si basa sul metodo Galerkin discontinuo e utilizza un risolutore esplicito nel tempo che richiede una piccola quantità di memoria.

Aree di utilizzo:

• Misuratori di portata ad ultrasuoni
• Sensori ultrasonici del tempo di volo
• Propagazione non stazionaria segnali sonori in presenza di flusso di fluido

Le principali funzioni e capacità disponibili nel modulo Acustica.

Le funzionalità chiave ei vantaggi del modulo Acoustics sono sistematizzati e descritti di seguito.

Processo di modellazione intuitivo

Che tu stia utilizzando il modulo Acoustics da solo o una combinazione di vari prodotti COMSOL, la simulazione del software COMSOL® è sempre flessibile, logica e semplice. Un tipico processo di modellazione consiste in diversi passaggi:

• Geometria degli edifici
• Scelta dei materiali
• Scegliere la giusta interfaccia fisica
• Impostazione dei confini e delle condizioni iniziali
• Creazione di una mesh agli elementi finiti, incl. automatico
• Calcolo del modello fisico
• Visualizzazione dei risultati

Integrazione con altre piattaforme software

Se desideri utilizzare dati tabulari nel tuo modello o includere geometrie complesse da un sistema CAD di terze parti nel tuo modello, allora c'è un modulo di integrazione adatto a te. Con i prodotti LiveLink ™ puoi integrare pacchetto software COMSOL Multiphysics ® con molti strumenti di terze parti come il software MATLAB ®, fogli di calcolo Microsoft ® Excel ®, Inventor ® e molti altri.

Metodi numerici utilizzati e tipi di ricerca disponibili

Il software COMSOL ® utilizza solutori e metodi di calcolo flessibili ed efficienti. Le frequenze tipiche delle attività acustiche coprono diversi decenni. La complessità computazionale dei calcoli può dipendere fortemente dalla formulazione del problema acustico. Pertanto, nessun metodo particolare o metodo numerico è adatto a tutti i problemi di quest'area.

Il modulo Acustica contiene quattro diversi metodi numerici: metodo degli elementi finiti (FEM), metodo degli elementi al contorno (BEM), ray tracing e metodo degli elementi finiti di Galerkin discontinuo (dG-FEM). Vari tipi di studi completano il set di metodi numerici e consentono di eseguire tutti i tipi di analisi necessari. In particolare, il modulo comprende studi nel dominio della frequenza, delle frequenze proprie e dei modi automatici, nonché studi nel dominio del tempo non stazionari. Metodi iterativi dedicati consentono di risolvere modelli multifisici con milioni di gradi di libertà, combinando diversi approcci all'interno di un'unica attività.

Il modulo Acustica include formulazioni basate sui seguenti metodi:

• Metodo degli elementi finiti (FEM - FEM)
• Il metodo più comune e versatile in cui è disponibile la discretizzazione degli elementi di ordine elevato
• Formulazioni per calcoli nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo (basati su risolutori impliciti)
• Metodo degli elementi di confine (BEM)
• La formulazione integrale delle equazioni originali richiede di specificare una mesh solo su superfici e contorni
• Bridging bidirezionale basato su FEM disponibile per domini e strutture acustiche (solidi, gusci e membrane)
• Metodo degli elementi finiti di Galerkin discontinuo (dG-FEM)
• Metodo Galerkin discontinuo basato su risolutori espliciti
• Metodo facile da ricordare per il calcolo non stazionario modelli di grandi dimensioni con milioni di gradi di libertà
• Ray Tracing
• Progettato per risolvere problemi acustici alle alte frequenze, ad esempio il problema della propagazione del suono sott'acqua o all'interno

I seguenti tipi di studio sono disponibili nel modulo Acustica:

• Ricerca nel dominio della frequenza
• Calcola la risposta acustica e le caratteristiche acustiche su una gamma di frequenze specificata
• Studio transitorio nel dominio del tempo
• Calcoli del tempo di volo
• Propagazione / crescita / diffusione degli impulsi acustici finali nello spazio
• Analisi di segnali acustici a banda larga
• Modellazione di fenomeni non lineari
• Studio sulle frequenze naturali
• Calcolo dei modi e delle frequenze di risonanza di spazi e strutture chiusi
• Calcolo della figura di merito e del fattore di perdita
• Analisi modale
• Calcolo e rilevamento delle modalità di propagazione e smorzamento in guide d'onda e canali

Perdite acustiche

Le perdite acustiche possono essere facilmente prese in considerazione nel modello. Ciò consente di modellare, ad esempio, materiali porosi e fibrosi utilizzando la teoria di Biot con un'interfaccia Onde poroelastiche (Onde poroelastiche). Inoltre, le regioni porose nell'interfaccia per l'acustica scalare possono essere modellate utilizzando modelli di materiali equivalenti come Poroacustica (Poroacustica). I modelli recenti includono Delany-Bazley, Miki e Johnson-Champoux-Allard. Inoltre, il modello può tenere conto dell'attenuazione utilizzando formule analitiche classiche o espressioni personalizzate, incl. basato su prove empiriche.

Tramite l'interfaccia è possibile creare modelli dettagliati che tengono conto del calore e delle perdite viscose Acustica termoviscosa (Acustica termoviscosa). La dicitura utilizzata nell'interfaccia consente di tenere conto di tutti i fenomeni associati agli strati limite acustici viscosi e termici e concentrati in essi. Allo stesso tempo, sono disponibili giunti multifisici integrati con strutture vibranti. Nei modelli di guide d'onda e altre strutture con una sezione trasversale costante, può essere utilizzato un approccio semplificato basato sulla media delle perdite nello strato limite, implementato nel modello del materiale Acustica per regioni ristrette (Acustica in aree ristrette) per l'acustica scalare.

L'attenuazione dei segnali acustici che si propagano in un flusso di fluido con alti gradienti di velocità, temperatura o forte turbolenza può essere modellata in dettaglio nelle interfacce di gruppo Navier-Stokes linearizzato (Equazioni di Navier linearizzate - Stokes). Il flusso di fondo può essere calcolato utilizzando il modulo Computational Fluid Dynamics (CFD).

Elettroacustica

Quando si simulano diversi trasduttori, è possibile combinare la funzionalità del modulo Acoustics e del modulo AC / DC o del modulo MEMS per creare modelli multifisici a elementi finiti con una connessione bidirezionale tra effetti acustici ed elettrodinamici. Ad esempio, magneti e bobine vocali di altoparlanti o forze elettrostatiche in microfoni capacitivi possono essere simulati in dettaglio. Quando si modellano trasduttori elettromeccanici-acustici complessi, è possibile utilizzare semplificazioni basate su circuiti concentrati equivalenti basati su circuiti o elementi meccanici. Entrambi gli approcci si basano su una relazione bidirezionale completa.

Esempi di alcune attività applicate:

• Modelli di altoparlanti multifisici che tengono conto degli effetti meccanici ed elettrodinamici
• Altoparlante
• Combinazione di modelli di emettitore distribuito e modelli Thiele-Small concentrati equivalenti
• Ottimizzazione dei componenti magnetici con il modulo AC / DC
• Microfoni
• Convertitori MEMS

Problemi di radiazioni e aree aperte

In acustica, si incontrano spesso problemi in cui le onde acustiche devono propagarsi nello spazio libero (aperto) senza riflessione ai confini esterni del dominio computazionale. Ad esempio, le simulazioni della sensibilità spaziale dei trasduttori o i calcoli di scattering nelle applicazioni sonar lo richiedono. I confini non riflettenti in un modello possono essere impostati utilizzando diversi metodi e tecniche disponibili nel nostro pacchetto. Per compiti semplici, è possibile limitarsi a condizioni al contorno di impedenza o condizioni di radiazione al confine (del tipo Sommerfeld). Per casi di radiazioni complessi o attività multifisiche complesse, può essere utile utilizzare strati aggiuntivi ausiliari con impostazioni speciali.

Per quest'ultimo, diverse formulazioni sono disponibili nel modulo Acustica:

• Perfectly Matched Layer (PML), questa tecnica è implementata per tutti i modelli e le interfacce disponibili nel pacchetto nel dominio della frequenza
• Strati perfettamente abbinati (PML) per il dominio del tempo, disponibili nell'interfaccia Acustica a pressione, transitoria (Acustica scalare, dominio del tempo)
• I cosiddetti strati assorbenti disponibili nelle interfacce basate sul metodo degli elementi finiti di Galerkin discontinuo (dG_FEM) e nell'interfaccia * Linearized Euler, Transient * (Linearized Euler equations, time domain)

Utilizzando le capacità multifisiche e un approccio ibrido FEM-BEM (una combinazione di elementi finiti e metodo degli elementi al contorno), è possibile risolvere in modo efficiente i problemi di aree aperte utilizzando il metodo degli elementi al contorno utilizzando l'interfaccia Acustica in pressione, elemento limite (Acustica scalare, metodo Boundary element).

Simulazione basata su equazioni personalizzate: modifica le equazioni originali o definisci accoppiamenti multifisici personalizzati

Per un controllo completo sulla modellazione, è possibile utilizzare la modellazione basata su equazioni per modificare le equazioni originali e le condizioni al contorno direttamente all'interno del software, regolando i modelli in base alle proprie esigenze di ricerca. Ad esempio, è possibile simulare fenomeni fisici non predefiniti nel modulo Acoustics come interfacce già pronte, oppure creare nuovi accoppiamenti multifisici. È possibile modificare i modelli di materiale per effetti non lineari aggiungendo o modificando le equazioni dei materiali. Puoi anche collegare fenomeni fisici con metodi non standard. Ad esempio, è possibile collegare l'acustica e la dinamica dei fluidi computazionali per modellare correnti acustiche o vortici non lineari generati dalle onde sonore.

Inoltre, gli strumenti di modellazione delle equazioni personalizzati del pacchetto eliminano la necessità di programmare e creare i propri codici di calcolo da zero, fornendo una flessibilità notevolmente maggiore e riducendo il tempo dedicato alla modellazione e alla conduzione della ricerca.

Applicazioni di simulazione: semplifica il flusso di lavoro e la collaborazione con colleghi e clienti

Pensa a quanto tempo e impegno potresti investire in nuovi progetti se non dovessi eseguire gli stessi modelli ed eseguire lo stesso tipo di calcoli per gli altri tuoi colleghi che hanno meno familiarità con la modellazione numerica in generale e il pacchetto in particolare. Con l'Application Builder integrato nella suite software COMSOL Multiphysics®, è possibile creare applicazioni di simulazione basate sui modelli COMSOL che semplificano il processo di simulazione limitando le modifiche ai dati di input e controllando i dati di output, fornendo solo i risultati di cui l'utente finale ha bisogno. Con loro, i tuoi colleghi saranno in grado di eseguire calcoli standard da soli.

L'interfaccia delle app di simulazione semplifica la modifica degli input o dei dati di progettazione, come l'impedenza acustica, e il monitoraggio dell'impatto delle modifiche senza dover ricostruire e mettere a punto l'intero modello. Con le app, puoi accelerare il processo di ricerca. Puoi anche condividere le tue app con i tuoi colleghi in modo che possano fare i propri calcoli, liberando tempo ed energie per altre attività.

Il flusso di lavoro per la creazione e l'utilizzo di app di simulazione è molto semplice:

• Crea una semplice GUI (app) per il tuo complesso modello acustico
• Personalizza l'applicazione in base alle tue esigenze scegliendo gli input e gli output desiderati che saranno disponibili per gli utenti
• Usa COMSOL Server ™ per archiviare e organizzare in remoto le tue applicazioni e condividerle con i tuoi colleghi e / o clienti
• I tuoi colleghi e / o clienti potranno eseguire calcoli standard e progetti specificati nell'applicazione senza il tuo aiuto

Utilizzando la funzionalità delle applicazioni di simulazione, è possibile fornire l'accesso ai calcoli numerici e alla progettazione ai propri colleghi all'interno del dipartimento o del laboratorio, dell'intera organizzazione nel suo insieme, studenti e dottorandi, clienti e clienti.

Un'applicazione per il calcolo delle riflessioni acustiche creata in COMSOL Multiphysics Application Builder utilizzando il modulo Acoustics.

Simulazione numerica del boom sonico nel pacchetto software ANSYS CFX

Ph.D., ricercatore principale presso TsAGI dal nome prof. NON. Zhukovsky.

Ph.D., capo del dipartimento, TsAGI dal nome prof. NON. Zhukovsky.

L'articolo esamina la metodologia per il calcolo del boom sonico a terra, indotto da un aereo passeggeri supersonico. Viene effettuato il confronto dei risultati ottenuti utilizzando il pacchetto software ANSYS CFX con i dati sperimentali. Per l'utilizzo operativo del codice industriale ANSYS CFX è stata sviluppata una macro, organicamente inclusa in interfaccia software, che ha permesso di semplificare notevolmente la procedura per il calcolo del boom sonico.

Uno dei compiti principali che i progettisti di aerei passeggeri supersonici devono risolvere è ridurre al minimo l'intensità dell'onda sonora del boom che inevitabilmente accompagna il volo supersonico. La base per la progettazione di un aereo supersonico con un'intensità del boom sonico ridotta è un calcolo diretto del diagramma delle onde sonore a terra per una data modalità di volo (altitudine, velocità) e parametri geometrici del velivolo.

Il metodo per il calcolo del boom sonico comprende la soluzione di due problemi: il problema di determinare il campo vicino vicino al layout del velivolo e il problema della propagazione di un'onda sonora nell'atmosfera alla superficie terrestre. Per risolvere il problema del flusso, è interessante considerare la possibilità di utilizzare le equazioni più accurate che rimuovano qualsiasi vincolo sulla forma del corpo in un flusso, regimi di flusso (zone di separazione o subsoniche) e consentono di simulare il funzionamento di un motore reale. L'obiettivo principale di questo lavoro è sviluppare un metodo per il calcolo del boom sonico basato sulla soluzione delle equazioni di Navier-Stokes mediate da Reynolds. Come sistema che implementa la soluzione delle equazioni di Navier-Stokes mediate da Reynolds, è stato utilizzato il pacchetto software ANSYS CFX (contratto di licenza TsAGI n. 501024), adattato al calcolo del boom sonico e testato su esempi di test.

I moderni sistemi software basati sui principi del calcolo parallelo delle equazioni di Navier - Stokes hanno una struttura modulare complessa e, oltre al modulo principale del risolutore, includono una serie di strumenti software, che consentono di eseguire in modo efficiente esperimenti computazionali sul flusso di un gas o liquido attorno a un corpo di configurazione complessa. I principi di base dei moderni sistemi software CFD, come ANSYS CFX e ANSYS Fluent, sono mostrati in Fig. 1.

aeromobili

Quando si calcola un boom sonico, cioè quando si determinano i disturbi sulla superficie terrestre creati da un aereo che vola a una velocità supersonica, il campo di flusso tridimensionale può essere diviso in due zone:

• zona 1 con dimensione caratteristica r dell'ordine della lunghezza del corpo L (r ~ L);
• zona 2 con una dimensione caratteristica dell'ordine di R altitudine di volo H (R ~ H).

Generalmente H \u003e\u003e L (ad esempio, se l'altezza è 15.000 me la lunghezza dell'aereo è 50 m, allora H / L=300).

Nella formulazione descritta, è necessario risolvere due problemi: uno di essi forma i dati iniziali in un flusso tridimensionale e il secondo calcola la propagazione del disturbo dal corpo alla superficie terrestre.

Nella prima fase, è necessario calcolare il flusso attorno al gruppo del velivolo e trovare i parametri di flusso attorno ad esso (Fig.2). Superficie S1 è il confine tra il flusso disturbato e imperturbato (cono di Mach), il piano S2, parallelamente alla velocità del flusso incidente, è sotto il corpo, ma non lo tocca. Aerei S3 e S4 sono determinati dagli inviluppi dei coni di Mach inversi che emanano dal segmento AB.

Una macro è stata sviluppata appositamente per il pacchetto software ANSYS CFX (Fig. 3), che, in base alla metodologia, consente di calcolare un grafico del boom sonico sul terreno in base ai dati di calcolo del campo vicino. La macro è stata integrata nel post processore CFX-Post.

nell'ambiente ANSYS CFX

Dopo aver risolto il problema del flusso attorno al layout dell'aeromobile, per calcolare l'intensità del boom sonico, prima di tutto, è necessario creare nel postprocessore CFX un piano parallelo al flusso in arrivo, che si troverà sotto l'aereo nelle immediate vicinanze di esso, ma non toccarlo (Fig.4). Questo piano in Fig. 2 corrisponde all'aereo S2... Applicazione questo metodo la determinazione del boom sonico al suolo richiede un calcolo accurato della distribuzione della pressione nell'aereo S2... Ciò pone elevate esigenze sulla qualità della mesh computazionale. Durante la preparazione, è necessario applicare la molatura locale nell'area tra l'aereo (AC) e l'aereo S2.

Affinché la macro funzioni, è necessario impostare i seguenti parametri:

• Inlet Region - superficie limite attraverso la quale il flusso entra nel dominio computazionale;
• Zhilin Plane - aereo S2;
• Simmetria: un parametro che determina se viene utilizzato il modello completo (completo) o la sua metà simmetrica (metà);
• Altitudine di volo - altitudine di volo dell'aeromobile;
• Lunghezza del corpo - lunghezza caratteristica dell'aeromobile;
• Numero di passi X - numero di passi lungo l'asse longitudinale;
• Numero gradini altitudine - il numero di gradini in altezza.

Gli ultimi due parametri determinano il grado di discretizzazione spaziale. I valori predefiniti (rispettivamente 500 e 2000) forniscono una soluzione con un grado di accuratezza piuttosto elevato. Un aumento del numero di passi lungo l'asse longitudinale richiede grandi quantità di memoria e può portare a malfunzionamenti del programma.

Figura: 5. Aeroplano Tu-144: a - vista posteriore; b - ottimizza
sulla superficie del modello computazionale e la forma dei getti degli ugelli

Lo studente laureato del MIPT Cho Kyu Chul ha eseguito una serie di calcoli di prova per il velivolo Ty-144 (Fig.5 e). I calcoli sono stati effettuati utilizzando il pacchetto software CFX e la macro sviluppata. Quando si modella la centrale elettrica Tu-144, è anche necessario tenere conto dell'effetto dei getti del motore sul campo di disturbo S2 e una trama di boom sonico. Nella fig. 6 e mostra la forma e la posizione della centrale elettrica utilizzata in questo lavoro. La direzione e l'angolo dell'apertura dell'ugello sono mostrati in Fig. 6 b... Direzione del getto θcd varia con l'angolo di attacco e l'angolo dell'ugello ( θc)si assume che sia uguale al valore ottimale — 10 .

a - andamento del flusso del getto; b - ugello

Figura: 7. Influenza del getto del motore sul diagramma del boom sonico dell'aereo Tu-144: a - il diagramma dell'eccesso di pressione nell'onda a forma di N, b - il secondo picco nell'esperimento

I risultati del calcolo confrontati con i dati sperimentali sono mostrati in Fig. 7. La considerazione dei getti del motore crea un secondo picco nel grafico della sovrapressione (Fig. 7 e). Nell'esperimento, il diagramma della sovrapressione dell'onda sonora del velivolo Tu-144 ha anche un secondo picco più intenso (Fig.7 b), che può essere il risultato dell'influenza dei getti degli ugelli che operano ad angoli di flusso dall'ugello che non sono stati registrati durante l'esperimento. Figura: cinque b illustra la natura del flusso attorno al velivolo Tu-144 con motori funzionanti ai parametri di progetto del deflusso del getto.

La macro creata, applicabile a qualsiasi versione di ANSYS CFX e organicamente inclusa nell'algoritmo di questo codice industriale, che è stato preso come strumento per determinare il campo vicino utilizzando le equazioni di Navier-Stokes, ci ha permesso di sviluppare una procedura efficace per il calcolo del boom sonico al suolo.

Letteratura

1. Zhilin Yu.L., Kovalenko V.V. Sul legame di campi vicini e lontani nel problema del boom sonico // Uchenye zapiski TsAGI, vol. XXIX. 1998. nn. 3 e 4. P. 111-122.
2. Menter F.R., Galpin P.F., Esch T.,
   Kuntz M., Berner C. Simulazioni CFD di flussi aerodinamici con un metodo basato sulla pressione // Documento ICAS 2004-2.4.1. Giappone, Yokohama, 2004.11 p.
3. Vozhdaev V.V., Kovalenko V.V., Teperin L.L., Chernyshev S.L. Metodologia per determinare l'intensità di un boom sonico a terra quando si studia il layout di un aereo passeggeri supersonico // Volo. 2013. No. 10. C. 17-27.
4. Zavershnev Yu.A., Rodnov A.V. Prove di volo di aerei passeggeri supersonici di prima generazione con boom sonico // Conferenza scientifica e tecnica internazionale "New Frontiers of Aviation Science" ASTEC'07, Mosca, 19-22 agosto 2007

introduzione

La tendenza globale ad aumentare il comfort delle apparecchiature aviotrasportate impone nuove regole, ora le apparecchiature non dovrebbero solo volare, ma volare in modo economico, creando il minor disagio possibile per una persona. Uno dei principali fattori che creano disagio è il rumore; ad un valore superiore a 80 dB, è considerato dannoso per l'uomo.

I rumori aerei possono essere suddivisi in due classi: quelli generati dalla miscelazione di particelle del mezzo in un flusso e da un flusso di corpi solidi. La prima classe è il rumore del getto, la seconda è il rumore del flusso attorno a fili (il cosiddetto tono eoliano), viti, ventilatori, ecc. I rumori di origine idrodinamica sono studiati dall'idroacustica.

Nella composizione del rumore emesso dal rotore si distinguono il rumore vortice (o banda larga), il rumore della rotazione delle pale e lo schiocco delle pale. Sebbene la differenza tra questi componenti non sia così grande come sembra inizialmente, tale classificazione è utile per presentare i risultati.

Creare un'elica silenziosa ed efficiente è un problema molto serio, poiché le due caratteristiche di solito si distinguono l'una dall'altra. Per sviluppare tali viti, è necessario utilizzare nuovi materiali o idee di design.

1. Le basi teoriche del suono

Sebbene l'elicottero sia l'aereo a decollo verticale più silenzioso, il livello di rumore che genera è ancora piuttosto elevato. Questo può diventare uno svantaggio significativo dell'elicottero, a meno che non vengano prese misure speciali per ridurre il rumore durante il processo di progettazione. Man mano che i requisiti per il livello di rumore degli aeromobili diventano più severi, lo studio dell'emissione sonora del rotore principale durante il processo di progettazione dell'elicottero diventa importante. A causa della periodicità del flusso attorno alle pale dell'elica, lo spettro del rumore è notevolmente concentrato in prossimità di frequenze che sono multipli della frequenza NQ del passaggio delle pale (Fig. 1.1). L'emissione di rumore è causata dal fatto che i componenti delle forze di sollevamento e trascinamento, che sono di grandezza costante, ruotano con le pale, nonché un cambiamento nelle componenti ad alta frequenza di queste forze. Nella regione ad alta frequenza si osserva un allargamento delle righe spettrali, che è associato a cambiamenti casuali nei parametri di flusso, in particolare, a fluttuazioni dei carichi che si verificano sotto l'influenza di vortici liberi. La pressione acustica cambia nel tempo, principalmente con un periodo n / NQe vi sono forti picchi di pressione associati a fenomeni aerodinamici locali come la compressibilità e le variazioni di carico indotte dai vortici. Nella composizione del rumore emesso dal rotore si distinguono il rumore vortice (o banda larga), il rumore della rotazione delle pale e lo schiocco delle pale. Sebbene la differenza tra questi componenti non sia così grande come sembra inizialmente, tale classificazione è utile per presentare i risultati.

Il rumore a vortice, o banda larga, è un fischio ad alta frequenza, le cui frequenze e ampiezze sono modulate da un segnale periodico avente la frequenza di passaggio delle pale. Questo rumore è di natura casuale ed è associato a variazioni casuali dei carichi sulle pale. L'energia di tale rumore è distribuita su una parte significativa dello spettro di frequenze udibili, che per un rotore impiega da 150 a 1000 Hz con un massimo da 300 a 400 Hz circa. (Va notato che il range dell'udito umano è 100-20000 Hz con una percezione massima a 1000 Hz) Il rumore del vortice del rotore è causato principalmente da variazioni casuali di portanza dovute al passaggio della lama in una scia turbolenta. I vortici finali giocano un ruolo speciale nella sua creazione. Altre fonti di rumore vorticoso includono cambiamenti nelle forze sulle pale dovute a vortici trasversali discendenti dal bordo di uscita, turbolenza a flusso libero e separazione e turbolenza dello strato limite. (Si noti che il nome stesso "rumore di vortice" riflette il concetto originale della sua connessione con un percorso di vortici trasversali simile a quello che si forma quando scorre intorno a un cilindro. L'intensità massima del rumore di rotazione cade su un basse frequenzein modo che alcune armoniche basse potrebbero non essere affatto nella gamma udibile. Pertanto, se prevale il rumore di rotazione, questo non è il caso più spiacevole per la percezione. Per quanto riguarda la percezione, il rumore vorticoso è spesso predominante.

Figura 1.1 - Spettro di rumore del rotore principale

Il rumore rotazionale è determinato da una variazione puramente periodica della pressione acustica creata dalla forza periodica delle pale nell'aria. Lo spettro di tale rumore è costituito da linee di frequenza discrete che sono multipli della frequenza NQ passando le lame. Il rumore di rotazione prevale nella parte a bassa frequenza dello spettro e, nel caso del rotore, corrisponde a frequenze non percepite. Il rumore rotazionale può causare vibrazioni alle strutture dell'elicottero e danni da fatica. Inoltre, il rumore a bassa frequenza si propaga bene nell'atmosfera, mentre le armoniche alte si attenuano più rapidamente con la distanza dall'elicottero. Pertanto, a grandi distanze dall'elicottero, i battiti delle pale e il rumore di rotazione del rotore sono della massima importanza. L'elicottero viene solitamente rilevato acusticamente dal rumore di rotazione del rotore.

Il rumore viene misurato in unità speciali - decibel (dB), determinato dal rapporto

1dB \u003d 10 lg

La scala logaritmica viene utilizzata perché riflette meglio le differenze negli ordini di grandezza dei segnali audio e la capacità dell'udito di rispondere al rumore in proporzione al logaritmo della sua potenza. L'intensità del flusso di energia acustica in un dato punto del campo è determinata dal valore

dove Rè il disturbo della pressione ed è la velocità del movimento disturbato del mezzo. Il valore istantaneo è l'energia emessa per unità di superficie. Nel campo lontano, la velocità e la pressione perturbate sono correlate dalla relazione in modo che l'intensità del flusso di energia sia determinata dall'espressione

dove è la velocità del suono, è il valore medio della densità dell'aria, è il valore quadratico medio della pressione sonora. Pertanto, l'intensità della radiazione acustica è determinata dal valore della pressione quadratica media radice. Gli organi dell'udito e la struttura dell'aereo rispondono alla deviazione della pressione dalla pressione atmosferica. Pertanto, il rumore è caratterizzato dal livello di pressione sonora SPL (Livello di pressione sonora), misurato in decibel rispetto alla pressione di riferimento SPL=20 lg.

Di solito viene presa la pressione di riferimento. Pertanto, la curva di densità spettrale della pressione quadratica media radice può essere considerata come la legge della distribuzione di frequenza dell'energia sonora.

punta del suono della banderuola aerodinamica

2. Calcolo del suono

2.1 Scelta del metodo di calcolo

Per calcolare il suono, come visto dal Capitolo 1, è necessario disporre di dati empirici ottenuti da esperimenti di soffiaggio. Il processo di eliminazione è molto costoso, quindi si è deciso di utilizzare un programma che simuli tutti questi processi.

Uno di questi programmi è Ansys e il suo modulo CFX.

Ansys - un pacchetto software che utilizza il metodo degli elementi finiti per il calcolo.

CFX- modulo pacchetto software ANSYS compreso il calcolo delle caratteristiche aerodinamiche.

2.2 Selezione del profilo della lama

Per il calcolo, la modifica del profilo viene selezionata dall'atlante dei profili ClarkY-15, le cui caratteristiche sono indicate nella tabella 2.2.1. La scelta è giustificata dal fatto che il profilo è abbastanza semplice e non causerà difficoltà durante la modellazione 3 D.

Tabella 2.2.1 - Modifica delle caratteristiche del profilo Clark Y-15

In cui K max-massima qualità aerodinamica del profilo, C ymax - coefficiente massimo di portanza, C xmin- coefficiente di resistenza minima, C m 0 è il valore del coefficiente del momento longitudinale in C y=0.

Figura 2.2.1- Il grafico della variazione della portanza dell'ala dall'angolo di attacco

Figura 2.2.2- Profilo della lama

Come si può vedere dalla Fig. 2.2.2, il profilo modellato è simile ma non identico al profilo TsAGI, quindi si può notare che questo creerà qualche errore di calcolo

2.3 Calcolo del profilo della pala

2.3.1 Definizione del dominio computazionale

A causa della mancanza di dati sonori, analizzeremo il flusso attorno alla lama Ansys CFX, al fine di determinare l'accuratezza del modello e gli oggetti del suo affinamento, mentre verrà simulata l'esperienza di soffiatura del profilo ClarkY-15 nella galleria del vento T-1 situata a TsAGI.

Le caratteristiche geometriche della lama sono riportate nella tabella 2.2.1.

Il dominio computazionale è selezionato in base alla galleria del vento T-1 utilizzata da TsAGI.

Tabella 2.3.1.1 - Geometria del dominio computazionale

2.3.2 Determinazione delle condizioni al contorno

Come accennato in precedenza, Ansys CFX si basa sul metodo degli elementi finiti, ovvero, per risolvere le equazioni, è necessario introdurre condizioni al contorno (affinché le equazioni siano definibili), ovvero la condizione all'ingresso e all'uscita dal dominio computazionale, le proprietà del mezzo.

Definite le condizioni per il calcolo, le inseriremo nella tabella 2.3.2.1, mentre è necessario farsi guidare dall'atlante e dai manuali metodologici per UNNSYS.

Tabella 2.3.2.1- Condizioni al contorno

La portata è stata scelta più alta rispetto all'esperimento, il che non influirà in alcun modo sui risultati, mentre viene fornito un numero di Reynolds più alto e il modello si avvicina alle condizioni di volo reali.

Figura 2.3.2.1- Area di calcolo

La Figura 2.3.2.1 mostra il dominio computazionale.

Al centro, all'origine, si trova il profilo della lama. Per velocizzare il calcolo, solo metà del tubo e della lama sono modellati rispetto al piano di simmetria, che dimezza anche le risorse utilizzate dal programma.

2.3.3 Mesh e calcolo

Quando si crea una mesh, vengono presi in considerazione i parametri per la mesh generale (Figura 2.3.3.1), per la rete di molatura locale (Figura 2.3.3.3) e lo strato limite (Figura 2.3.3.4).

Figura 2.3.3.1-Parametri mesh generali.

Figura 2.3.3.2- Menu definizione mesh.

Figura 2.3.3.3- Creazione della divisione mesh locale.

Figura 2.3.3.4 - Determinazione dello strato limite.

Quando si determinano le dimensioni ottimali della griglia complessiva, eseguiremo il calcolo a valori diversi con una diminuzione sequenziale delle dimensioni della griglia, un aumento del numero di celle.

min taglia\u003d 1 mm

Dimensione massima del viso\u003d 70 mm, dimensione massima\u003d 200 mm.

							a partire dal,kg / m 3

Tabella 2.3.3.1- Valori aerodinamici ai parametri di rete min taglia\u003d 1 mm

Max facciataglia\u003d 50 mm, dimensione massima\u003d 100 mm.

	Py, H	Px, H			S, m 2		a partire dal,kg / m 3

In questo caso, gli errori per l'angolo 0? sono elencati nella tabella 2.3.3.2.

Tabella 2.3.3.2- Errore di determinazione.

Sulla base della Tabella 2.3.3.2, determiniamo che per aumentare la precisione del calcolo, è necessario utilizzare una griglia più fine. Con parametri Max viso taglia\u003d 50 mm, max taglia\u003d 100 mm.

Per determinare la dimensione dello strato limite, è necessario tracciare la velocità sull'altezza sopra il profilo.

Figura 2.3.3.5 - Grafico della distribuzione delle velocità al contorno del profilo

a - valori teorici delle velocità al confine con il corpo

b- i valori di velocità ottenuti al confine con il corpo

Sulla base delle cifre, possiamo dire che lo spessore dello strato limite è di circa 18-12,77 \u003d 5,23 mm, dove 12,77 mm è l'altezza del profilo della lama.

2.3.4 Determinazione delle zone di schiacciamento della maglia

In base alla distribuzione della pressione nell'area di lavoro, determiniamo le zone di molatura della rete.

Figura 2.3.3.1 - Distribuzione della pressione nell'area di lavoro.

Figura 2.3.3.2 - Zone di divisione mesh.

Le dimensioni della zona interna sono 625X100X900 mm, la zona esterna è 1000X400X900 mm lungo la parete esterna e 800X120X900 mm lungo la parete interna.

La dimensione delle celle nell'area interna è di 8 mm, nell'area esterna 12,5 mm. Inoltre, la mesh è stata perfezionata sulla superficie della lama introducendo il parametro viso dimensionamento con un valore di 2 mm. Il numero di celle nel calcolo era di 8,12 milioni.

Y+ secondo il quale si verifica l'adeguatezza del modello mesh nei territori raggiunge 66.

Figura 2.3.3.3 - Distribuzione Y+ lungo il profilo della lama.

Y+ - parametro adimensionale che caratterizza lo strato limite, la distanza dal primo strato limite al muro.

Per un angolo di 4? ha ottenuto i seguenti dati visualizzati nella tabella 2.3.3.1.

Tabella 2.3.3.1- Risultati del calcolo per un angolo di 4 °.

Controlliamo i risultati con il modello mesh più grande.

La dimensione della maglia è di 15 mm nella zona interna e di 30 mm nella zona esterna.

Anche la mesh è stata affinata sulla superficie della pala introducendo il parametro viso dimensionamento con un valore di 5 mm.

Il numero di celle nel calcolo era 2,14 milioni, che è significativamente inferiore e accelera il tempo di calcolo.

Con questi parametri, il valore del coefficiente Y+ secondo il quale si verifica l'adeguatezza del modello di rete sul territorio raggiunge 58.

Figura 2.3.3.4 - Distribuzione Y+ lungo il profilo con una maglia più grossolana.

Tabella 2.3.3.2- Valori dei risultati con una griglia più grossolana.

Secondo le tabelle 2.3.3.1 e 2.3.3.2, l'errore di calcolo per l'ascensore è

Pertanto, l'errore assume valori bassi e non è necessario creare una mesh troppo fine.

Figura 2.3.3.5 - Griglia computazionale adottata.

2.3.4 Calcolo delle caratteristiche del profilo

Calcoliamo le caratteristiche del profilo utilizzando i modelli costruiti per angoli da 0? fino a 16?.

Tabella 2.3.4.1- Calcolo del profilo.

Analizziamo i risultati in base alle caratteristiche ottenute a TsAGI.

Figura 2.3.4.1- Qualità del profilo alare

Figura 2.3.4.2 - Resistenza frontale del profilo.

Figura 2.3.4.3 - Forza di sollevamento del profilo.

Figura 2.3.4.4 - Caratteristiche del profilo secondo TsAGI.

Sulla base delle Figure 2.3.4.1-2.3.4.4, possiamo dire che il risultato ha un errore associato alla metodologia di calcolo, alle ipotesi introdotte nel modello di turbolenza, nonché il massimo errore associato all'imprecisione geometrica dei profili, quindi si può concludere che a Durante la progettazione, è necessario utilizzare atlanti che abbiano un numero maggiore di coordinate del profilo (e non 2, come nell'atlante TsAGI).

2.4 Calcolo del suono

Quando si calcola il suono, vengono utilizzati 3 modelli di lame. Paletta senza punta modificata, paletta con punta linglett, paletta con punta orizzontale. Sulla base del calcolo, si prevede di determinare l'effetto dei cambiamenti nel design dell'estremità del profilo alare sulle caratteristiche aerodinamiche e sul rumore del profilo.

Quando si calcola il suono, vengono utilizzati 3 modelli di lame. Una lama senza una punta modificata, una lama con una punta linglett, una lama con una punta orizzontale (vedi Figura 2). Sulla base del calcolo, si prevede di determinare l'effetto delle modifiche nel design della punta sul rumore e sulle caratteristiche aerodinamiche del profilo. Nella creazione del modello viene utilizzato il profilo calcolato in precedenza. Caratteristiche aerodinamiche di base Cx - coefficiente di resistenza aerodinamica, Su - coefficiente di portanza, per - la cui qualità aerodinamica è riportata nella tabella 1.

Tabella 2.4.1- Caratteristiche aerodinamiche del profilo ottenuto in Ansys.

Figura 1- Profilo della lama

a- Atlante di TsAGI, b- Modello in Ansys

Sulla base dei dati dei profili nell'atlante, viene sviluppato un modello geometrico.

Figura 2- Modello lama

modello a con punta orizzontale, tipo b-linglett.

Il calcolo del rumore viene effettuato per la modalità a terra ad una distanza di 1, 150 m dall'elicottero L'angolo della pala è preso come 10? in base al fatto che nella modalità di decollo sugli elicotteri assume circa gli stessi valori. Il calcolo sarà effettuato secondo lo stesso principio di prima.

Tabella 3- Condizioni al contorno

Figura 3- Area calcolata.

Il dominio computazionale ha le seguenti dimensioni:

Altezza 4m

Raggio 6m

Angolo di taglio delle superfici laterali 30?

La distanza dall'asse al taglio delle superfici laterali è di 2m.

Quando si crea una mesh, viene creato uno strato limite sulla superficie della pala, che si presume essere uguale allo strato limite quando si calcolano le caratteristiche aerodinamiche del profilo, 5,23 mm, il numero di strati n\u003d 10 strato limite sono presi dalle raccomandazioni della sorgente.

La molatura della rete è avvenuta in zone di un'area maggiore, 160X900mm nella zona interna, 800X3000mm nella zona esterna, mentre si è deciso di aumentare la profondità di molatura a 2000mm in connessione con l'aggiunta di punte.

Figura 2.4.2 - Zone di molatura delle maglie

Sulla base di considerazioni sulla velocità di calcolo, le dimensioni delle celle sono state aumentate.

Figura 2.4.3 - Dimensioni della griglia complessiva

Figura 2.4.4- La dimensione della maglia dell'area interna.

Figura 2.3.5- La dimensione della maglia dell'area esterna.

Figura 2.3.6- Dimensione dello strato limite.

Il numero totale di celle era 1.900.000. Nel corso del calcolo sono state ottenute la frequenza del suono di rotazione e il livello di pressione sonora.

Figura 5- Grafico della variazione del suono di varie lame a una distanza di 1 m.

Figura 6- Il grafico della variazione del suono di diverse lame a una distanza di 150 m.

Sulla base delle cifre, va notato che la modifica del progetto ha dato sia un effetto positivo sul livello sonoro dell'elicottero, il rumore della pala con una punta linglett è diminuito, sia negativo, il rumore della pala con una punta orizzontale è aumentato.

3. Analisi dell'aerodinamica

Per determinare l'effetto sulle caratteristiche aerodinamiche, confrontiamo tre pale in termini di portanza, distribuzione della velocità e turbolenza.

Tabella 3.1- Forze agenti sulla lama senza punta

Tabella 3.2 - Forze agenti su una lama con punta linglett.

Tabella 3.3- Forze agenti su una lama con punta orizzontale

Come si può vedere dalle Tabelle 3.1-3.3, la variazione delle punte del profilo ha fortemente influenzato le forze che agiscono sulle pale, mentre la forza “-” sull'asse Y agisce sulla lama senza punte, che molto probabilmente è associata alla formazione di flussi inversi dietro la lama, vedi Fig. 3.1.

I modelli del flusso attorno alla pala ottenuti quando si cambia la punta (vedi Figure 3.1-3.5) mostrano l'effetto del cambiamento geometrico nel profilo della pala sulle caratteristiche aerodinamiche, si può vedere che con il cambiamento nella punta, il modello di flusso cambia drasticamente, il che indica la necessità di ulteriori ricerche nel campo dell'aerodinamica e modifiche del design punte delle lame.

Figura 3.1 - vettori di velocità dietro la lama senza punta.

Figura 3.2 - Vettori di velocità dietro una lama con una punta di tipo linglett

Figura 3.3- Vettori di velocità dietro una lama con una punta orizzontale

ZX per una lama senza punta.

Figura 3.4- Distribuzione delle velocità nel piano ZX per una lama con una punta orizzontale.

Figura 3.5- Distribuzione delle velocità nel piano ZX per una lama con una punta linglett.

conclusioni

Nel corso del lavoro, è stato determinato il principio e la procedura per il calcolo nel programma ANSYS CFX, sono state determinate le caratteristiche aerodinamiche del profilo alare, è stato creato un modello per il calcolo della rotazione della pala, è stato effettuato il calcolo del suono per tre tipi di pale: senza punta, con punta di tipo linglett, punta orizzontale, è stata effettuata un'analisi dell'aerodinamica di queste pale.

Una pala senza punta ha un livello di rumore medio, le caratteristiche aerodinamiche di questa pala durante la rotazione sono basse, la forza di sollevamento è negativa, potrebbe essere necessario utilizzare una torsione della pala.

Una pala con punta linglett ha il livello di rumorosità più basso, mentre le sue caratteristiche aerodinamiche sono nella media, la portanza generata da questa pala è leggermente inferiore a quella di una pala con punta orizzontale, cosa forse causata dalla maggiore area della seconda.

Una lama con una punta orizzontale crea il livello di rumore più elevato, mentre l'alzata è anche la più importante, probabilmente a causa della maggiore area della lama.

Pertanto, è necessario approfondire ulteriormente il design della lama e della punta per determinare quello ottimale; va anche notato che lo studio è stato effettuato per il rumore della rotazione delle pale, il rumore del vortice e il rumore dello scoppio delle pale non sono stati presi in considerazione.

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4.Ansys CFX-Solver Modeling Guide. 483s

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Adesso darò breve recensione moduli e applicazioni di base utilizzati in ANSYS Workbench per preparare e condurre analisi numeriche.

Engeneering Data: un'interfaccia per la gestione di un database di dati fisici

e proprietà meccaniche dei materiali, nonché parametri di input matematici

modelli.

Design Modeler (elemento Geometry in Component Systems) è un'applicazione per la creazione di modelli geometrici 2D / 3D. Inoltre, il modulo può funzionare con la geometria importata da sistemi CAD di terze parti: consente di correggere i difetti di geometria, modificare o semplificare un modello geometrico.

Meshing (elemento Mesh nella sezione Sistemi componenti) è un preprocessore mesh multifunzionale che consente di generare mesh computazionali di alta qualità in modalità automatica per tipi diversi analisi ingegneristica. Il modulo fornisce un'ampia gamma di strumenti per la generazione di mesh computazionali basate su elementi triangolari e quadrangolari per modelli 2D e basati su tetraedri, esaedri o elementi piramidali per modelli 3D. Il programma contiene algoritmi per la costruzione di griglie computazionali strutturate e non strutturate, nonché la possibilità di risoluzione di alta qualità della griglia computazionale vicino a pareti solide e altre caratteristiche dei modelli, che è particolarmente importante per l'analisi idrodinamica.

E ora su ciò che consideriamo tutti i nostri compiti e quale modulo scegliere. Nel primo articolo, non sapevo quanto sarebbe andato bene questo argomento, quindi ho esaminato i moduli in poche parole. Ora considererò più in dettaglio.

Statico strutturale è destinato a risolvere problemi di meccanica di un solido deformabile in ambiente statico. Quando si utilizzano gli inserti di comando nel linguaggio APDL, la funzionalità del modulo può essere estesa per risolvere, ad esempio, problemi correlati (termoelasticità, poroelasticità, elettroelasticità, ecc.).

Transitorio strutturale - un modulo per la risoluzione di problemi di dinamica strutturale. Basato su schemi di integrazione implicita per le equazioni del moto. Explicit Dynamics / AUTODYN / LS-DYNA - moduli basati su risolutori espliciti per il calcolo di problemi dinamici strutturali e la modellazione di processi non lineari veloci: impatti ad alta velocità, penetrazioni, frammentazione, distruzione, ecc.

Dinamica rigida progettato per simulare la dinamica di sistemi, meccanismi in movimento. La cinematica di un meccanismo viene descritta specificando i sistemi di coordinate associati alle parti e scegliendo parametri che determinano in modo univoco la posizione relativa delle parti e la configurazione dell'intero meccanismo. Corpi in movimento

sono descritte dalle equazioni del moto nella forma Kane, che garantisce un'elevata precisione e velocità di risoluzione del problema.

Termico a stato stazionario / Termico transitorio - analisi stazionaria / non stazionaria

campo termico basato sulla soluzione dell'equazione stazionaria / non stazionaria

conducibilità termica esterna.

Flusso del fluido (CFX) è inteso per risolvere problemi di idrodinamica, nonché problemi di trasferimento di calore coniugato. Consente di simulare un'ampia gamma di processi fisici in liquidi e gas, come non stazionarietà, turbolenza, ambiente multicomponente e multifase, reazioni chimiche, radiazioni, onde acustiche, ecc. condizioni delle macchine rotanti.

Flusso del fluido (fluido) ha una funzionalità simile al modulo CFX, ma contiene una gamma più ampia di modelli e metodi per la modellazione di flussi con reazioni chimiche. Ha anche un editor integrato per le griglie di calcolo.

Elettrico - simulazione di campi elettrici corrente continua nei conduttori.

Termico-elettrico - analisi elettrotermica stazionaria, che consente di studiare i processi di rilascio di calore quando una corrente elettrica attraversa un conduttore, nonché i processi di trasferimento di calore nei solidi.

Modale - analisi modale, calcolo delle frequenze naturali e modalità di vibrazione.

Risposta armonica - analisi armonica per determinare la risposta di una struttura ai carichi armonici. Consente di valutare gli effetti negativi delle vibrazioni forzate: risonanza, affaticamento, ecc. Solo le modalità di vibrazione stazionarie vengono calcolate in un determinato intervallo di frequenza.

Spettro di risposta - analisi della risposta della struttura all'azione dei carichi dinamici fissati dall'accelerogramma. Utilizzando il metodo spettrale lineare, vengono determinate le accelerazioni di risposta massime di un sistema oscillatorio a massa singola. Utilizzato per calcolare la resistenza sismica delle strutture.

Vibrazione casuale - analisi della risposta della struttura all'azione della vibrazione casuale

carichi. Il carico applicato viene specificato utilizzando valori probabilistici.

Le fasi della risoluzione dei problemi in Workbench possono essere descritte dal diagramma seguente.

Cioè, creiamo prima la geometria in Design Modeler o SpaceClaim Direct Modeler o importiamo da altre applicazioni. A proposito, sull'importazione delle proprietà del materiale della parte, se non è nella libreria ANSYS, è disponibile solo in Inventor. Per fare ciò, devi selezionare la casella.

Inoltre, è possibile creare un modello descrivendolo matematicamente nel linguaggio APDL.

Durante l'importazione, oltre alle proprietà del materiale, puoi importare molto. Oltre alle colonne chiare, l'opzione Geometria di base ha Opzioni di geometria avanzate. Qui è possibile selezionare il tipo di analisi (2D o 3D), l'associatività (per trasferire le proprietà del materiale, le condizioni al contorno e i carichi sul modello specificato in un sistema CAD di terze parti), l'importazione di un sistema di coordinate, SmartCADUpdate (l'opzione presume che se alcune parti del assieme, Design Modeler aggiorna solo le parti modificate durante la reimportazione).

Quindi costruiamo la mesh agli elementi finiti. Questo può essere fatto con i moduli Meshing e ICEM CFD. Dopo che ANSYS ha assorbito un piccolo ufficio impegnato nello sviluppo di algoritmi di griglia ICEM, hanno smesso di svilupparlo e gli algoritmi migrano gradualmente alla griglia ANSYS nativa.

Inoltre, a seconda del tipo di analisi che dovrebbe essere usata nel lavoro, viene fatta una descrizione modello matematico e viene selezionato il modulo di calcolo richiesto. Ad esempio, per calcolare lo stato di sollecitazione-deformazione (SSS) di una struttura sotto carichi statici, utilizzare il modulo Static Structural. In questa fase, è necessario impostare le proprietà dei materiali, le condizioni al contorno e iniziali del problema, selezionare i metodi di calcolo, configurare il risolutore in conformità con il modello fisico e matematico accettato e impostare la precisione di calcolo richiesta.

Il processo di calcolo è completamente automatizzato, ma si consiglia di esercitare il controllo sul processo di soluzione: monitorare il comportamento della soluzione e la sua conformità ai criteri di convergenza, visualizzare parametri aggiuntivi sullo schermo che consentono di valutare le caratteristiche quantitative necessarie della soluzione, ecc.

Dopo aver completato il calcolo, è necessario analizzare i risultati ottenuti e, se possibile, confrontarli con i dati sperimentali disponibili. Va anche ricordato che la soluzione risultante non dovrebbe dipendere dalla dimensione degli elementi mesh, che di solito si ottiene eseguendo una serie di calcoli.

su griglie di varie densità.

Dopo aver inserito il sistema di cui abbiamo bisogno nell'area di lavoro WorkBench e caricato il modello, fare clic due volte sulla cella Model per aprire Mechanical.

Affrontiamo la sua interfaccia.

Sopra ci sono menu a discesa abbastanza familiari. Appena sotto la barra degli strumenti. A sinistra c'è l'albero dell'analisi. Sotto c'è una vista di dettaglio, una finestra in cui vengono visualizzati tutti i parametri di un elemento selezionato nell'albero, sia esso contatto, forza o mesh. La finestra grafica è centrata. Tutto ciò che selezioni nell'albero viene visualizzato lì. Scegli una griglia: la griglia viene visualizzata, scegli il risultato finale, prendilo. E a destra: suggerimenti per i principianti, ovvero scegliamo un'analisi e utilizziamo i suggerimenti per condurre un'analisi. L'elemento completato viene visualizzato con un segno di spunta verde, quello che richiede attenzione o dati - un cerchio verde con una i, cosa deve essere risolto - un fulmine in giallo.

Nella parte superiore del titolo della finestra viene visualizzato il tipo di analisi, seguito da un trattino: il nome dell'applicazione e il tipo di licenza tra parentesi quadre.

Esaminiamo i menu a discesa.

Il menu Modifica contiene le operazioni richiamate tramite il menu contestuale degli oggetti: Elimina, Copia, Taglia, Incolla, Duplica, che combina i comandi "copia" e "incolla". La scheda contiene anche il comando Seleziona tutto, che consente di selezionare tutti gli oggetti nella finestra grafica con un clic, e il comando Trova nella struttura ad albero, che consente di eseguire la ricerca di testo utilizzando il menu Struttura;

Ci sono gruppi separati nel menu Visualizza, separati da linee: quello in alto è il controllo della grafica di base: ombreggiatura dei bordi, rappresentazione della trama e altro.

Leggermente inferiore nelle opzioni grafiche: pittura di volti e visualizzazione di travi.

Il menu Unità include un elenco dei sistemi metrici disponibili, SI è sempre selezionato per impostazione predefinita;

Il menu Strumenti include tre comandi principali: Add-in (avvia il gestore di componenti aggiuntivi, che consente di caricare / scaricare routine personalizzate progettate per estendere la funzionalità Meshing standard), Opzioni (fornisce l'accesso alle impostazioni generali del preprocessore Meshing, comprese le impostazioni per il processo di parallelizzazione durante la creazione della mesh e dei valori default per i parametri di rete globali) e Variable Manager (avvia il gestore delle variabili nell'applicazione);

Bene, l'aiuto contiene materiali di riferimento per impostazione predefinita.

Ora, come previsto, esaminiamo la barra degli strumenti.

Ora diamo un'occhiata all'albero del progetto.

Visualizza i componenti corrispondenti alle fasi precedenti

addestramento del processore del modello. Possono essere divisi in due gruppi: i principali - compaiono nell'albero di default all'apertura di un progetto, e opzionali - compaiono nell'albero solo per alcuni tipi di modelli geometrici o quando si utilizzano determinati strumenti durante la costruzione di un modello mesh.

E così, i componenti dell'albero:

• Geometria, di base: include un elenco di corpi del modello geometrico che vengono passati dal preprocessore della geometria. Quando si seleziona l'intestazione del componente Geometria nella finestra Proprietà (Dettagli) sotto l'albero, vengono visualizzate le proprietà della geometria non modificabili globali. Quando si selezionano uno o più corpi dall'elenco, la finestra Dettagli visualizza le impostazioni (selezione del sistema di coordinate, materiale, ecc.) E le proprietà di questi corpi specifici (dimensioni geometriche, statistiche). Pertanto, se la formulazione fisica del problema implica la presenza di più corpi con caratteristiche diverse in un modello geometrico, allora per ciascuno di tali corpi possono essere impostate le proprie caratteristiche. Se nel modello geometrico sono presenti più corpi indipendenti o relativi gruppi, nell'albero del progetto viene visualizzato un componente Connessioni aggiuntivo, che consente di impostare connessioni tra superfici (con attrito, senza attrito, ecc.).
• Sistemi di coordinate primari: elenca tutti i sistemi di coordinate (globali e locali) utilizzati nel progetto. Usando il menu contestuale di questo componente, puoi aggiungere al progetto nuovo sistema coordinate (Insert -Coordinate System) o eliminare / nascondere / copiare uno esistente.
• Mesh, main: contiene un elenco di tutte le operazioni e gli strumenti utilizzati per costruire la mesh computazionale. Le proprietà di questo componente visualizzano le impostazioni mesh globali e, tramite il menu contestuale del componente, sono disponibili numerosi strumenti per l'impostazione delle impostazioni mesh locali.
• Selezione Nominata, opzionale: nel Meshing, oltre alla possibilità di generare direttamente mesh computazionali, è possibile assegnare nomi ai singoli elementi del modello per la successiva definizione delle condizioni al contorno.

Per eseguire un calcolo completo, è necessaria una griglia. La griglia non è solo casuale, come quando si converte in STL, ma personalizzabile. È suddiviso in conforme (ordinato) e non conforme (casuale).

Per conformità, cioè consistenza, si intende una griglia in cui gli elementi soddisfano la condizione: se due elementi della griglia si intersecano, l'area della loro intersezione è la loro faccia (o bordo) comune.

Immagine per comprendere l'ordinamento della griglia.

Ora per quanto riguarda la forma dell'elemento mesh.

Per le griglie su superfici, si distinguono 2 tipi di elementi: triangoli e quadrangoli.

Per le geometrie volumetriche, le celle si distinguono in base a esaedri, tetraedri, prismi e piramidi.

Le mesh computazionali possono essere ibride e includere elementi di diversi tipi allo stesso tempo.

Per valutare correttamente il calcolo è necessaria una mesh conforme, cioè è necessario disporla in modo che nei punti in cui abbiamo degli spostamenti, la mesh sia più fine e correttamente orientata. Esistono 3 metodi per la mesh su superfici 2D:

1. Quadrilatero Dominante, cioè la predominanza dei quadrangoli. L'intera mesh è costruita principalmente utilizzando quadrangoli. La forma degli elementi è determinata dall'impostazione Tipo di mesh faccia libera, che ha due modalità. Quando è selezionata la modalità All Quad, il preprocessore della griglia

divide forzatamente un'area in elementi quadrangolari, indipendentemente dalla qualità dei singoli elementi. Quando è selezionata la modalità Quad / Tri, il preprocessore costruisce una mesh di elementi quadrilateri, ma in aree complesse dove è possibile utilizzare solo elementi quadrilateri di bassa qualità, tali elementi vengono sostituiti da elementi triangolari di qualità superiore.

2. Il metodo Triangle Meshing consente di dividere un'area con una mesh non strutturata con elementi di forma triangolare.

3. Il metodo MultiZone Quad / Tri, a differenza dei due precedenti, si basa su

tecnologia a blocchi e consente la scomposizione automatica della geometria complessa in blocchi separati con successiva costruzione su ciascun blocco di una mesh strutturata (ove possibile) o non strutturata, a seconda delle impostazioni del metodo selezionato. La forma degli elementi mesh per i blocchi è determinata dall'impostazione Free Face Mesh Type con tre modalità: All Quad, Quad / Tri e All Tri (analogo al metodo Triangle Meshing).

Per vedere la differenza tra il metodo MultiZone Quad / Tri dai metodi Quadrilateral Dominant e Triangle Meshing, si consideri lo stesso cerchio. In un caso con quadrilatero dominante, otteniamo la seguente immagine.

E otteniamo una mesh non strutturata per l'intera area. Se utilizziamo il metodo MultiZone Quad / Tri, otteniamo una mesh strutturata e durante il processo di costruzione, la geometria verrà automaticamente scomposta in blocchi caratteristici, il che ci consente di costruire una mesh strutturata di elementi rettangolari per la parte 1 e lasciare una mesh non strutturata per la parte 2.

Si è rivelato un po 'caotico e multi-libro. Chi ha imparato, quel tipo. Vedremo le mesh 3D nel prossimo articolo.

E per chiarire che le mesh e la loro qualità influiscono sul calcolo finale, ecco un esempio di mesh mal costruita e ben costruita.