得益于多物理場問題仿真的簡便性，Ansys LS-DYNA工具一直被廣泛用于高科技產(chǎn)業(yè)，本文將介紹如何使用LS-DYNA多物理場功能進(jìn)行聲振仿真，首先將介紹建模方法以及對聲振響應(yīng)結(jié)果，進(jìn)行后處理的方法，以及影響聲學(xué)響應(yīng)的參數(shù)。
卡扣組件是日常生活中的常用產(chǎn)品，如電氣連接器。上圖右下案例展示了光纖連接器，PCB連接器，電源連接器等，還有其他多種連接器。如果這類應(yīng)用的卡扣插入不良，電氣連接功能就會下降，因?yàn)閮蓚€(gè)接合件之間的接觸區(qū)域十分重要。因此作為機(jī)械工程師，我們的責(zé)任是設(shè)計(jì)出合理的卡扣，使機(jī)械結(jié)構(gòu)接觸良好，并保持電氣連接通暢。
設(shè)計(jì)上主要的挑戰(zhàn)在于，卡扣的閉合是一個(gè)裝配的過程，這個(gè)過程是動(dòng)態(tài)的，卡扣的幾何結(jié)構(gòu)越來越小形狀越來越復(fù)雜，而且材料不斷創(chuàng)新，卡扣設(shè)計(jì)必須能夠適應(yīng)這些變化。在裝配過程中，連接件之間連接良好的關(guān)鍵指標(biāo)是能達(dá)到一定的反作用力，這個(gè)過程可使用LS-DYNA輕松地進(jìn)行仿真，快速裝配時(shí)間、滑動(dòng)接觸、非線性材料等都需要顯式求解器。
第二個(gè)重要的指標(biāo)是特定的聲學(xué)特征，也就是咔嗒聲，這個(gè)可用來判斷卡扣在裝配過程中的嚙合是否成功與嚙合質(zhì)量，目前還沒有成熟的方法可對這種聲學(xué)響應(yīng)進(jìn)行仿真。這類問題需要運(yùn)用LS-DYNA這樣的求解器來對復(fù)雜的多物理場進(jìn)行仿真。
RJ-45是第45號注冊插座（通常稱為以太網(wǎng)接口或網(wǎng)絡(luò)接口），這些是許多標(biāo)準(zhǔn)化插座和插頭系列產(chǎn)品之一，屬于微型模塊化連接器。這些連接器主要用于把支持互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備直接插入調(diào)制解調(diào)器、路由器或服務(wù)器等硬件中。為什么設(shè)備之間更傾向于選用以太網(wǎng)連接呢？因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下以太網(wǎng)連接可提供比無線連接更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且這也有助于防止黑客截獲敏感數(shù)據(jù)，有兩種類型的連接器部件，一種是插頭，它們是位于以太網(wǎng)線纜兩端的模塊化插入組件，通常使用透明、白色、黑色或灰色塑料制作而成，不過也會使用許多其它的顏色和材料；另一種是接頭，其可用于讓RJ-45插頭插入插槽，它們通常嵌入在需要連接的設(shè)備主體或墻上，RJ-45插腳引線的分配對于建立電氣連接十分重要，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是8個(gè)引線插腳和8個(gè)觸點(diǎn)，但為了方便建模，我們在仿真中只使用4個(gè)引線插腳。
這里概述了本研究中的LS-DYNA設(shè)置情況，從開源網(wǎng)站獲得的幾何結(jié)構(gòu)將用于有限元仿真，以及在SpaceClaim中建模然后導(dǎo)出機(jī)械模型的k文件，使用LS-RUN提交LS-DYNA作業(yè)，接著用LS-PrePost和Ansys Sound進(jìn)行后處理。
模型準(zhǔn)備。連接器組件內(nèi)的所有幾何體都是實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)，因此這里使用實(shí)體單元，連接器最重要的組件是接頭和插頭，它們使用四面體單元進(jìn)行建模，并在聲學(xué)分析中用作邊界單元，接頭和插頭的插入針均使用六面體單元進(jìn)行建模，目的是模擬準(zhǔn)確的接觸行為，接觸對仿真結(jié)果會有影響。
點(diǎn)擊圖片即可跳轉(zhuǎn)原文觀看視頻
正如前文所述，這兩種插入針都使用六面體單元以準(zhǔn)確地捕獲它們之間的接觸，這是因?yàn)樗軌蛴绊戇B接器的觸覺反饋和聲學(xué)反饋，為方便建模，對所有接觸使用自動(dòng)單面接觸卡片*Contact_automatic_general，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1，仿真過程中設(shè)置的載荷條件如下：
最后，講一下邊界條件，接頭六個(gè)自由度全約束，對插頭的X方向和Y方向進(jìn)行約束。
聲學(xué)分析設(shè)置，聲學(xué)分析可使用LS-DYNA中提供的*FREQUENCY_DOMAIN_ACOUSTIC_BEM卡片進(jìn)行設(shè)置，有助于將瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析與聲學(xué)分析耦合以求解聲振耦合問題。這個(gè)方法先求解瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析，然后保存結(jié)構(gòu)分析中獲得的速度，并將其用作聲學(xué)分析中的邊界條件。最后需要注意的是邊界單元上的壓力會通過求解輸入方程獲得，根據(jù)這個(gè)輸入，可以計(jì)算出無網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)任一點(diǎn)的壓力-時(shí)間歷程。使用邊界元法的主要優(yōu)勢是成本低效率高，這是因?yàn)榕c其它方法相比，它使用的是邊界單元和無網(wǎng)格區(qū)域，為了設(shè)置聲學(xué)分析所需的參數(shù)包括流體密度，在本例中是以空氣介質(zhì)的聲速，還需要知道最小頻率，最大頻率和參考壓力，另外有限元的邊界單元和聲場點(diǎn)也很重要。在本文的例子中，插頭表面單元和接頭表面單元都作為邊界元單元，同時(shí)把靠近連接器幾何結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分配為場點(diǎn)或觀察點(diǎn)。
分析設(shè)置，本文案例需計(jì)算四個(gè)不同場景下的分析，場景一總用時(shí)0.25秒，裝配時(shí)間為0.15秒，使用的是塑性材料模型。場景二總用時(shí)0.35秒，裝配時(shí)間為0.25秒，使用的是塑性材料模型。場景三總用時(shí)0.35秒，裝配時(shí)間為0.25秒，使用的是彈性材料模型。場景四總用時(shí)1秒，裝配時(shí)間為0.25秒，使用的是塑性材料模型。整個(gè)設(shè)置的目的是了解裝配時(shí)間聲學(xué)特征，也就是聲壓級和使用的材料模型之間的關(guān)系。
點(diǎn)擊圖片即可跳轉(zhuǎn)原文觀看視頻
結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，視頻僅展示四個(gè)仿真中的其中一個(gè)結(jié)果。仿真結(jié)果來自于使用塑性材料模型的接頭和插頭連接器，其總用時(shí)為0.25秒，連接器裝配時(shí)間為0.15秒。從左下方的能量比圖中可以看到，能量比的值恰好接近1，這可以證明仿真基本實(shí)現(xiàn)了能量平衡。右上方是接頭針的應(yīng)力應(yīng)變和位移圖，它承受了插頭的沖擊。右下方則是其接觸力圖，總計(jì)大約10N。
上圖展示使用塑性材料模型插頭的應(yīng)力和應(yīng)變。正如預(yù)期，可以觀察到裝配體鎖扣從彎曲到啟動(dòng)卡扣過程中，它承受了大約58Mpa的應(yīng)力，可以看到其有效應(yīng)變?yōu)?2%，部分應(yīng)變在卡扣解除后可以恢復(fù)。右上角的圖顯示了有效應(yīng)變的時(shí)間歷程圖。
該圖表可幫助我們比較完全裝配狀態(tài)下，裝配體鎖扣對接頭的反作用力。值得注意的是塑性降低了反作用力，裝配時(shí)間對產(chǎn)生的反作用力沒有影響。
點(diǎn)擊圖片即可跳轉(zhuǎn)原文觀看視頻
聲學(xué)響應(yīng)，案例中提取了不同仿真模型上的場點(diǎn)的聲壓級，在圖中通過比較整個(gè)頻域下的值可以發(fā)現(xiàn)，裝配時(shí)間為0.1秒的仿真產(chǎn)生了更高的聲壓級，在增加裝配時(shí)間后，聲壓級下降，這樣可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果或參考值相匹配。我們試圖在運(yùn)行的其中一個(gè)仿真中創(chuàng)建聲音，視頻中可以聽到生成的聲音文件，以便對這種方法的有效性有所了解。左邊為YouTube上獲得的參考聲音文件，右側(cè)為其中一個(gè)仿真中獲得的聲音，雖然聲音好像不太相同，但聲壓級良好吻合，還需要進(jìn)行進(jìn)一步研究來微調(diào)仿真的聲音。
上圖顯示了聲壓對比情況，壓強(qiáng)單位為pa，時(shí)間單位為s，顯然在使用彈性材料模型的仿真場景3里面振動(dòng)，要顯著大于其它三種使用塑性材料模型的仿真場景。這里可以看到激勵(lì)中的差別。
上圖顯示了頻率 - 時(shí)間，頻率單位為赫茲，時(shí)間單位為秒，這有助于了解裝配過程中每一步的頻率分布情況，還表明Ansys Sound能輕松地對這些輸出進(jìn)行后處理，并對我們從如此復(fù)雜的仿真中獲得的結(jié)果進(jìn)行深入研究。
本文案例中可以得出，裝配時(shí)間與聲壓級成反比，帶有硬化的塑性材料本構(gòu)會抑制聲學(xué)響應(yīng)。此外還可以對兩個(gè)可變形體的振動(dòng)聲學(xué)特性，以及接觸進(jìn)行了仿真并開展了詳細(xì)研究，今后想要使用具有熱塑性的高級材料模型來研究材料對聲學(xué)的影響，以尋找能夠使仿真聲音更加真實(shí)的方法。將通過探索電和熱等其它多物理場場景來增加問題的復(fù)雜性，以擴(kuò)大這一仿真的使用范圍。最后但同樣值得注意的是，LS-DYNA可提供統(tǒng)一的求解器環(huán)境能夠輕松處理此類復(fù)雜的多物理場問題。
相關(guān)閱讀
LS-DYNA人工智能多尺度計(jì)算技術(shù)及其在注塑成型復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用
