【联合仿真】基于Actran的声疲劳仿真

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了声疲劳仿真在飞行器结构设计中的重要性，以及Actran在声疲劳仿真中的作用。Actran是MSC公司的一款专门做声学仿真的软件，可以很好地补充MSC Nastran和MSC Fatigue在声疲劳仿真中的局限性，实现振动声学和声疲劳的完整精确仿真。文章通过一个电子设备的声疲劳仿真案例，展示了Actran在声疲劳仿真中的具体应用。

1. 概述

关于声音大小，我们经常会见到一些形象的描述。比如安静的室内声音约为20dB，正常谈话的声音约为60dB。这些描述中还有这么两条，85dB长期作用下会引起听力损伤，140dB即使声音持续时间很短也会引起听力损伤。这些损伤多数都发生在耳膜位置。如果把耳膜看成是人体结构中的一个零件，那么140dB的声音可能导致耳膜瞬间损坏，85dB的声音可能导致耳膜疲劳破坏。由此可见，声音是一种不可忽视的载荷类型。

像耳科医生关注声音对耳膜的影响一样，飞行器结构设计人员也关注声音对结构的影响。飞机和火箭工作环境下都处在高强度噪声场中，它们的薄板结构会由于声致振动而产生疲劳。随着飞行器发动机推力的不断增加，噪声对飞行器结构的影响也会越来越大。

声疲劳试验是结构抗疲劳特性评估的必要手段，但受限于产品研发周期、研发成本等因素而不适合反复使用。因此，声疲劳仿真有充足的市场需求。MSC Nastran结合MSC Fatigue可以做声疲劳仿真，但载荷相对简化，难以施加真实情况下的声载荷，如扩散声场或湍流边界层激励，并且难以模拟产品中被越来越广泛采用的各种声处理材料，如阻尼夹层、多孔介质吸音材料、蜂窝状亥姆霍兹共振器等，所以有一定局限性。

Actran是MSC公司的一款专门做声学仿真的软件，功能覆盖声学、振动声学、气动声学，与MSC Nastran和MSC Fatigue都能无缝集成。将Actran引入到上述流程中，可以很好的补充以上两点局限，从而实现振动声学和声疲劳的完整精确仿真。基于Actran的声疲劳仿真方案实现流程见图1。

图1 基于Actran的声疲劳解决方案

2. 声疲劳仿真案例

某电子设备长期处在高强度噪声环境中，经测试发现设备周围噪声达到150dB。因为此设备主要包括外部的箱体和内部的PCB板，都是薄板结构，存在疲劳危险，因此需提前对该设备进行声疲劳仿真。该设备的有限元模型如图2所示。

图2 电子设备有限元模型

采用图1所示的方案对该电子设备进行声疲劳仿真。首先，建立结构有限元模型，并使用MSC Nastran进行模态分析，得到包含应力的模态结果文件。然后，将Nastran模型文件和结果文件都导入Actran中，施加150dB的混响声音载荷并进行声振耦合分析，得到PCB板应力PSD响应云图和板上14415号单元的应力PSD响应曲线。响应曲线见图3。

图3 14415单元应力PSD响应曲线

选取响应曲线中尖点处频率进行云图结果显示，如图4所示。

图4 应力PSD响应云图

最后，将Actran分析结果文件导入MSC Fatigue，进行振动疲劳分析，得到如图5所示的疲劳寿命结果。

图5 PCB板疲劳寿命云图

寿命云图中结果为对数形式，最小寿命为10的3.94次方，约为8709.6秒，2.4小时。危险点集中在PCB板下方的5处支撑块位置。

3. 总结

上述案例旨在介绍仿真流程，对结构进行了一个试验环境的仿真。实际产品所处的声场可能更复杂，甚至试验条件都没法满足。Actran仿真不受试验条件的限制，可以进行更复杂、更贴近实际工作环境的声场仿真、声振耦合仿真，为设计提供更全面的参考。

如果仿真结果证明寿命达不到设计要求，可以采用添加吸声材料和阻尼材料等措施进行降噪和减振，从而提高产品寿命。Actran中可以直接模拟吸声材料和阻尼材料的作用，从而准确评估改进方案的优劣，为设计提供更有效的结构改进依据。

Actran的加入完善了MSC原有的声疲劳仿真方案，可以扩展声疲劳仿真的深度和广度，为设计人员提供更全面、更精准的设计参考。