基于有限元的功率流分析方法及实现_谢基榕

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1、第13卷第1期船舶力学Vol.13No.12009年2月JournalofShipMechanicsFeb.2009文章编号：1007-7294（2009）01-0144-06基于有限元的功率流分析方法及实现谢基榕，吴文伟，沈顺根（中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082）摘要：功率流分析在结构减振降噪研究中具有重要意义，但目前用于分析复杂结构功率流的工具非常缺乏。鉴于有限元方法目前已广泛应用于结构动力学分析并且有许多成熟的商用软件，本文在Msc/Nastran的基础上二次开发了结构功率流分析模块并将其整合到Nastran的系统

2、求解器中，使之成为工程人员分析结构功率流的专业工具。关键词：功率流；有限元；DMAP中图分类号：TB53文献标识码：APowerflowanalysisbasedonFEM:theoryandimplementationXIEJi-rong,WUWen-wei,SHENShun-gen(ChinaShipScientificResearchCenter,Wuxi214082,China)Abstract：Analyzingpowerflowtransmissioninstructuresisofsignificancetocont

3、rolvibrationandac-companingnoise,butpresenttoolstoanalyzepowerflowincomplicatedstructuresisverylacking.Thispa-perisconcernedinredevelopingmoduleforstructurepowerflowanalysisbasedonMsc/Nastranandinte-gratingitintoNastran’ssolvesequencesystem.Thismodulewillbeapowerfulto

4、olforengineertoanalyzepowerflow.Keywords:powerflow;FEM;DMAP1前言机械振动引起结构辐射噪声是工业生产的一大污染源，于是减少振动并降低由此引起的辐射噪声便成了一项很重要的研究内容。有限元法是目前应用于结构分析方面很重要很成熟的方法之一，它适合于分析结构静力及低频段的结构动力问题，目前已被广泛应用于工程研究领域。结构振动传递，本质上是结构中振动能量的传播，如果能准确描述振动能量在结构中的传播路径并采取合理措施，那么在治理振动噪声上便能收到事半功倍的效果。目前有限元方法已被广泛应

5、用于结构动力学分析领域，并形成了许多成熟的商业软件，如Nastran，Ansys，Abacus等，这些商用软件通用性和二次开发功能很强，可在其基础上自主开发具有功率流分析功能的程序模块。伍先俊[1]在使用有限元方法进行功率流分析方面进行过研究，他应用Ansys进行结构振动分析并将Ansys形成的结构有限元单元矩阵数据及位移响应解导出，然后使用Matlab将结构的单元矩阵组装成结构的广义刚度矩阵并结合位移计算出结构的作用内力，进而可计算出结构任意界面上的功率流。然而，依照该方法分析结构功率流需要耗费大量人力，因为从Ansys中导出有

6、限元矩阵数据，到计收稿日期：2008-08-18作者简介：谢基榕（1978-），男，中国船舶科学研究中心博士研究生，高级工程师。第1期谢基榕等：基于有限元的功率流分析方法…145算结构功率流需要用到不同软件，尤其是在功率流分析界面划分时，需要人工根据界面进行单元分组处理，不便于工程应用。本文应用有限元分析软件Msc/Nastran提供的开发语言DMAP将功率流分析功能整合到Nastran的系统求解器中，便可应用常规的Nastran使用方式进行结构功率流分析，并在Patran中处理计算结果。2功率流计算方法结构有限元的动力方程在激励

7、为单频稳态力时可以写成21-ω11M+jω11B+11K1ωωu=ωωF(1)式中，11M，11B，11K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，ωωu，ωωF分别为结构频率响应的位移解向量和激励力向量，位移解及激励力均使用复幅值表示。根据功率的基本定义，计算结构某一界面处的功率流动需要先确定结构在该界面处的速度响应及界面处的内力。事实上，在完成对整体模型的频率响应分析后，就已经获得了结构所有有限元节点处的速度响应，但在有限元分析软件中一般不输出单元间的内力数据，因此要求根据结构单元特性数据及响应解计算出内力，才能进一步计算结构

8、界面间的功率流。从方程（1）式中可以看出，由结构单元的质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵组成的广义刚度矩阵2（R=1-ω11M+jω11B+11K1）联系了模型节点的位移解与作用于节点的外激励力之间的关系。如果将模型单元根据待分析功率流的界面将模型单元划