車(chē)載揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力學(xué)有限元分析

葛鑫鑫，黃輝祥

(南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211100)

0 引言

揚(yáng)聲器是將電能轉(zhuǎn)化為聲能的專(zhuān)用器材，其主要功能便是實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)化[1]。在汽車(chē)上的諸多因素，譬如空間狹小不規(guī)則、行進(jìn)中的顛簸碰撞等不利條件，對(duì)揚(yáng)聲器脆弱的結(jié)構(gòu)有不小的考驗(yàn)，通過(guò)對(duì)其受力和跌落時(shí)的受力情況進(jìn)行正確的計(jì)算和仿真[2]，以此提高車(chē)載揚(yáng)聲器的動(dòng)靜力學(xué)性能[3]。同時(shí)進(jìn)行模態(tài)分析可得到固有頻率[4]，為揚(yáng)聲器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 揚(yáng)聲器的結(jié)構(gòu)介紹

揚(yáng)聲器經(jīng)過(guò)渲染的裝配體模型如圖1所示。

圖1 揚(yáng)聲器正面及其渲染圖

揚(yáng)聲器的爆炸視圖可以更好地觀(guān)察其結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 揚(yáng)聲器的爆炸視圖

圖2中部件的結(jié)構(gòu)材料屬性見(jiàn)表1。

表1 揚(yáng)聲器材料屬性和特性參數(shù)

2 揚(yáng)聲器的有限元跌落仿真分析及其結(jié)果對(duì)比

支架的整體外部結(jié)構(gòu)包括一部分的海綿、鈑金部分以及薄膜等，在省去了海綿和線(xiàn)圈模型的同時(shí)，進(jìn)行了兩個(gè)角度跌落過(guò)程的模擬分析，跌落角度如圖3和圖4所示。跌落角度1是支架側(cè)邊跌落和剛性面直接接觸，受重力作用;跌落角度2是45°側(cè)邊角和剛性面直接接觸，也受重力作用。

圖3 跌落角度1的載荷方向

圖4 跌落角度2的載荷方向

兩種情況下跌落瞬間的跌落高度都是1 m，由此可知跌落到剛性接觸面時(shí)的速度是4.427 m/s。結(jié)合裝配體的結(jié)構(gòu)特性以及計(jì)算的效率，文中設(shè)計(jì)所選擇的單元類(lèi)型是ABAQUS的單元庫(kù)當(dāng)中的C3D8R，即八結(jié)點(diǎn)線(xiàn)性六面體單元，為了確保運(yùn)算過(guò)程精準(zhǔn)和程序運(yùn)行過(guò)程中的收斂性相關(guān)要求，需要對(duì)部分網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，如圖5所示。

圖5 支架的跌落有限元分析網(wǎng)格

2.1 接觸相關(guān)定義

各零部件之間采用綁定約束使其在跌落碰撞過(guò)程中仍保持整體，揚(yáng)聲器和地面存在著非線(xiàn)性的作用性質(zhì)，需要正確定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)表面的接觸作用。主面應(yīng)當(dāng)選擇剛性面，從面應(yīng)當(dāng)選擇支架，如圖6所示。

在跌落角度2的情況下，其余定義均相同，僅僅需要將裝配角度稍加調(diào)整，具體的接觸定義如圖7所示。

圖6 表面接觸的主從面選擇

圖7 跌落角度2的接觸定義

2.2 邊界條件定義

圖8 角度2的重力場(chǎng)與速度示意

2.3 分析結(jié)果

(1)跌落角度1的分析結(jié)果

各個(gè)模塊確認(rèn)無(wú)誤，跌落角度1的分析模型如圖9所示。支架所受到的最大應(yīng)力為361.1 MPa，小于材料的強(qiáng)度需求366 MPa，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格。跌落角度1的應(yīng)力分布云圖背面圖如圖10所示，最大值用標(biāo)識(shí)引出，方便讀者觀(guān)察。

(2)跌落角度2的分析結(jié)果

條件確認(rèn)無(wú)誤，跌落角度2的云圖如圖11所示。在云圖中可以清晰地觀(guān)察到圓弧邊的應(yīng)力最大，最大應(yīng)力值為349 MPa，如圖12和圖13所示。最大應(yīng)力同樣小于材料的屈服極限，符合要求。

圖9 跌落角度1應(yīng)力圖

圖10 跌落角度1背面應(yīng)力分布云圖

圖11 跌落角度2的正面應(yīng)力云圖

圖12 跌落角度2應(yīng)力云圖剖視圖

(3)其他角度

由于支架結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，經(jīng)由跌落角度1和跌落角度2便可合理地推導(dǎo)出揚(yáng)聲器在實(shí)際應(yīng)用中支架受力能否符合力學(xué)要求，由于支架對(duì)于揚(yáng)聲器內(nèi)部部件如音圈桿、錐形薄膜和線(xiàn)圈等的保護(hù)更為重要，因此可以得出揚(yáng)聲器整體承載結(jié)構(gòu)合格的結(jié)論。

圖13 跌落角度2背面應(yīng)力云圖

3 車(chē)載揚(yáng)聲器的有限元模態(tài)分析及其結(jié)果對(duì)比

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需要將零件之間的相互綁定的約束保留，因?yàn)槠錇榻y(tǒng)一的裝配體，使用了約束模態(tài)的分析方法，因此需要對(duì)4個(gè)安裝孔進(jìn)行固定約束，這樣才能得到相對(duì)準(zhǔn)確的約束模態(tài)分析，具體約束位置如圖14所示。

圖14 揚(yáng)聲器約束位置示意

計(jì)算機(jī)運(yùn)算之后，觀(guān)察前12階模態(tài)分析結(jié)果，匯總結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 車(chē)載揚(yáng)聲器前12階模態(tài)固有頻率的計(jì)算分析結(jié)果

大多數(shù)情況下只會(huì)特別在意結(jié)構(gòu)低階的固有頻率或者是某些特定階的頻率，原因便是結(jié)構(gòu)自身固有頻率倘若越小，就更加輕易會(huì)由人為的條件或者天然的條件所刺激[5]，因此只繪制出了前4階振型如圖15所示。此外還有的時(shí)候結(jié)構(gòu)會(huì)在特定激勵(lì)如轉(zhuǎn)速等的條件下進(jìn)行工作運(yùn)行，所以對(duì)于一些特定工作情況下的階數(shù)，也需要多多注意。

圖15 揚(yáng)聲器前4階振型圖

獲取了車(chē)載揚(yáng)聲器的低階振型和固有頻率之后，可進(jìn)一步進(jìn)行半正弦沖擊響應(yīng)分析，可將激勵(lì)函數(shù)輸入，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，便可以知道各個(gè)方向的最大放大系數(shù)值。除了沖擊響應(yīng)分析，利用已知的約束結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，就可以研究整體結(jié)構(gòu)在承受隨機(jī)載荷下的受載情況。

總之，進(jìn)行裝配體的模態(tài)分析可以對(duì)沖擊響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析起到鋪墊作用，用處較廣，具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中對(duì)車(chē)載揚(yáng)聲器跌落時(shí)的兩個(gè)關(guān)鍵角度進(jìn)行了重點(diǎn)分析，驗(yàn)證在跌落過(guò)程中揚(yáng)聲器的應(yīng)力應(yīng)變情況，分別得到了跌落角度下的最大應(yīng)力符合要求。為證實(shí)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性提供了可靠的支撐以及參考。

再者結(jié)合有限元分析軟件的模態(tài)分析功能，設(shè)定相應(yīng)的要求，對(duì)模態(tài)分析的各階數(shù)結(jié)果進(jìn)行分析，主要是低階模態(tài)的振型和頻率，為實(shí)際使用進(jìn)行工作頻率上的參考。