SimScale：振動(dòng)與聲學(xué)模擬技術(shù)教程.Tex.header

SimScale：振動(dòng)與聲學(xué)模擬技術(shù)教程1SimScale平臺(tái)簡(jiǎn)介1.1SimScale功能概述SimScale是一個(gè)基于云的工程仿真平臺(tái)，它提供了廣泛的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）、結(jié)構(gòu)力學(xué)（FEA）以及熱力學(xué)分析工具。用戶可以通過(guò)直觀的界面進(jìn)行模型的創(chuàng)建、網(wǎng)格的生成、物理屬性的設(shè)定以及結(jié)果的可視化，無(wú)需安裝任何軟件，所有操作都在瀏覽器中完成。SimScale支持多種求解器，包括但不限于：CFD求解器：用于流體流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)的模擬。FEA求解器：用于結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和非線性分析。聲學(xué)求解器：用于聲波傳播和聲學(xué)效應(yīng)的模擬。SimScale還提供了豐富的材料庫(kù)、預(yù)設(shè)的物理模型以及后處理工具，使得工程師和設(shè)計(jì)師能夠快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化。1.2振動(dòng)與聲學(xué)模擬在SimScale中的應(yīng)用在SimScale中，振動(dòng)與聲學(xué)模擬主要通過(guò)FEA和聲學(xué)求解器實(shí)現(xiàn)。這些模擬對(duì)于理解機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性以及分析聲學(xué)環(huán)境至關(guān)重要。以下是SimScale中進(jìn)行振動(dòng)與聲學(xué)模擬的幾個(gè)關(guān)鍵步驟：1.2.1幾何模型的導(dǎo)入與簡(jiǎn)化首先，用戶需要將CAD模型導(dǎo)入SimScale平臺(tái)。對(duì)于振動(dòng)分析，通常需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除非關(guān)鍵特征，以減少計(jì)算時(shí)間和資源消耗。SimScale提供了工具來(lái)幫助用戶進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化和修復(fù)。1.2.2材料屬性的設(shè)定在進(jìn)行振動(dòng)與聲學(xué)模擬之前，必須為模型中的每個(gè)部分指定材料屬性。SimScale的材料庫(kù)包含了各種常見(jiàn)材料的屬性，如鋼、鋁、橡膠等。用戶也可以自定義材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比等。1.2.3網(wǎng)格生成網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。SimScale提供了自動(dòng)網(wǎng)格生成工具，同時(shí)也允許用戶手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，以適應(yīng)特定的分析需求。對(duì)于振動(dòng)分析，通常需要在關(guān)鍵區(qū)域生成更細(xì)的網(wǎng)格。1.2.4邊界條件與載荷的設(shè)定邊界條件和載荷的設(shè)定是模擬的關(guān)鍵。在振動(dòng)分析中，這可能包括固定約束、位移約束、力和力矩載荷等。在聲學(xué)模擬中，則需要設(shè)定聲源位置、聲壓或聲功率等。SimScale的界面使得這些設(shè)定變得直觀和簡(jiǎn)單。1.2.5求解器的選擇與參數(shù)設(shè)定SimScale提供了多種求解器，用戶需要根據(jù)模擬類型選擇合適的求解器。對(duì)于振動(dòng)分析，可能選擇模態(tài)分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析；對(duì)于聲學(xué)模擬，則可能選擇頻率域或時(shí)間域的聲學(xué)求解器。參數(shù)設(shè)定包括求解精度、時(shí)間步長(zhǎng)、頻率范圍等。1.2.6運(yùn)行模擬與結(jié)果分析一旦所有設(shè)置完成，用戶可以提交模擬任務(wù)。SimScale在云上運(yùn)行這些任務(wù)，用戶可以通過(guò)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬進(jìn)度。模擬完成后，SimScale提供了強(qiáng)大的后處理工具，用于可視化結(jié)果、創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)、提取數(shù)據(jù)等。1.2.7示例：振動(dòng)分析假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的懸臂梁模型，想要分析其在特定頻率下的振動(dòng)響應(yīng)。以下是使用SimScale進(jìn)行振動(dòng)分析的步驟：1.**導(dǎo)入模型**：將懸臂梁的CAD模型導(dǎo)入SimScale。

2.**設(shè)定材料**：選擇鋼作為材料，設(shè)定其密度為7850kg/m^3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。

3.**網(wǎng)格生成**：使用SimScale的網(wǎng)格生成工具，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.01m。

4.**邊界條件**：在梁的一端設(shè)定固定約束，在另一端施加一個(gè)垂直方向的力，大小為100N。

5.**求解器選擇**：選擇瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析求解器，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.001s，總模擬時(shí)間為1s。

6.**運(yùn)行模擬**：提交模擬任務(wù)，等待模擬完成。

7.**結(jié)果分析**：使用SimScale的后處理工具，觀察梁在力作用下的振動(dòng)模式，提取位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)。通過(guò)以上步驟，用戶可以深入了解懸臂梁在特定載荷下的動(dòng)態(tài)行為，這對(duì)于設(shè)計(jì)和優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。1.2.8示例：聲學(xué)模擬考慮一個(gè)房間內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境模擬，目標(biāo)是分析一個(gè)揚(yáng)聲器在房間內(nèi)產(chǎn)生的聲壓分布。以下是使用SimScale進(jìn)行聲學(xué)模擬的步驟：1.**導(dǎo)入模型**：將房間的CAD模型導(dǎo)入SimScale。

2.**設(shè)定材料**：為墻壁、地板和天花板設(shè)定材料屬性，通常這些表面是聲學(xué)硬邊界。

3.**網(wǎng)格生成**：生成適合聲學(xué)分析的網(wǎng)格，確保在聲源附近有足夠細(xì)的網(wǎng)格。

4.**邊界條件**：設(shè)定房間的邊界為聲學(xué)硬邊界，表示聲波在這些表面上完全反射。

5.**聲源設(shè)定**：在房間內(nèi)設(shè)定一個(gè)揚(yáng)聲器作為聲源，設(shè)定其聲功率為1W。

6.**求解器選擇**：選擇頻率域聲學(xué)求解器，設(shè)定頻率范圍為20Hz到20kHz。

7.**運(yùn)行模擬**：提交模擬任務(wù)，等待模擬完成。

8.**結(jié)果分析**：使用SimScale的后處理工具，觀察房間內(nèi)不同位置的聲壓分布，分析聲學(xué)熱點(diǎn)和死點(diǎn)。這些步驟幫助用戶理解房間內(nèi)的聲學(xué)特性，對(duì)于設(shè)計(jì)音樂(lè)廳、會(huì)議室等需要良好聲學(xué)環(huán)境的場(chǎng)所非常有用。通過(guò)SimScale的振動(dòng)與聲學(xué)模擬功能，工程師和設(shè)計(jì)師能夠進(jìn)行深入的分析，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，確保機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和聲學(xué)環(huán)境的舒適性。2振動(dòng)模擬基礎(chǔ)2.1振動(dòng)類型與原理在工程領(lǐng)域，振動(dòng)可以分為多種類型，包括自由振動(dòng)、受迫振動(dòng)、自激振動(dòng)等。這些振動(dòng)類型基于不同的物理原理和外部條件。例如，自由振動(dòng)發(fā)生在沒(méi)有外部激勵(lì)的情況下，系統(tǒng)僅由其初始條件驅(qū)動(dòng)；受迫振動(dòng)則是系統(tǒng)在持續(xù)的外部力作用下發(fā)生的振動(dòng)；自激振動(dòng)則由系統(tǒng)內(nèi)部的非線性或不穩(wěn)定因素引起。2.1.1自由振動(dòng)自由振動(dòng)是系統(tǒng)在初始擾動(dòng)后，沒(méi)有外部力作用下發(fā)生的振動(dòng)。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，自由振動(dòng)可以由下面的微分方程描述：m其中，m是質(zhì)量，c是阻尼系數(shù)，k是彈簧剛度，x是位移，點(diǎn)表示時(shí)間導(dǎo)數(shù)。這個(gè)方程描述了質(zhì)量在彈簧和阻尼器作用下的運(yùn)動(dòng)。2.1.2受迫振動(dòng)受迫振動(dòng)發(fā)生在系統(tǒng)受到外部力的作用下。外部力可以是周期性的，也可以是非周期性的。對(duì)于周期性受迫振動(dòng)，系統(tǒng)響應(yīng)的頻率可能與外部力的頻率相同，也可能不同，這取決于系統(tǒng)的固有頻率和阻尼。2.1.3自激振動(dòng)自激振動(dòng)是由系統(tǒng)內(nèi)部的非線性或不穩(wěn)定因素引起的振動(dòng)。這種振動(dòng)通常在機(jī)械系統(tǒng)中出現(xiàn)，如轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的油膜振蕩。2.2振動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型振動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型通?；谂ｎD第二定律，即力等于質(zhì)量乘以加速度。在振動(dòng)分析中，我們通常處理的是二階微分方程，這些方程描述了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。2.2.1階微分方程考慮一個(gè)單自由度系統(tǒng)，其振動(dòng)可以由以下二階微分方程描述：m其中，F(xiàn)t2.2.2數(shù)值求解示例假設(shè)我們有一個(gè)質(zhì)量為1kg，彈簧剛度為10N/m，阻尼系數(shù)為0.5N·s/m的系統(tǒng)，受到一個(gè)周期性力的作用，力的表達(dá)式為Ft=5importnumpyasnp

fromegrateimportsolve_ivp

importmatplotlib.pyplotasplt

#定義微分方程

defvibration(t,y,m,c,k,F):

x,v=y

dxdt=v

dvdt=(-c*v-k*x+F(t))/m

return[dxdt,dvdt]

#外部力函數(shù)

defF(t):

return5*np.sin(2*np.pi*t)

#參數(shù)

m=1.0#質(zhì)量

c=0.5#阻尼系數(shù)

k=10.0#彈簧剛度

#初始條件

y0=[0,0]#初始位移和速度

#時(shí)間范圍

t_span=(0,10)

#求解微分方程

sol=solve_ivp(vibration,t_span,y0,args=(m,c,k,F),dense_output=True)

#繪制結(jié)果

t=np.linspace(t_span[0],t_span[1],1000)

x=sol.sol(t)[0]

plt.figure()

plt.plot(t,x,label='位移')

plt.plot(t,F(t),label='外部力')

plt.legend()

plt.xlabel('時(shí)間(s)')

plt.ylabel('位移(m)')

plt.title('受迫振動(dòng)的位移響應(yīng)')

plt.grid(True)

plt.show()在這個(gè)例子中，我們首先定義了振動(dòng)系統(tǒng)的微分方程和外部力函數(shù)。然后，我們使用egrate.solve_ivp函數(shù)求解這個(gè)微分方程，得到系統(tǒng)的位移響應(yīng)。最后，我們使用matplotlib庫(kù)繪制了位移響應(yīng)和外部力的圖形，以直觀地展示系統(tǒng)的振動(dòng)行為。通過(guò)這樣的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值求解方法，工程師可以預(yù)測(cè)和分析各種振動(dòng)現(xiàn)象，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。3聲學(xué)模擬基礎(chǔ)3.1聲學(xué)原理聲學(xué)，作為物理學(xué)的一個(gè)分支，主要研究聲波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)。聲波是一種機(jī)械波，需要介質(zhì)（如空氣、水或固體）進(jìn)行傳播。在空氣中，聲波的傳播速度大約為343米/秒，在15°C的條件下。聲波的頻率決定了我們聽(tīng)到的聲音的音調(diào)，而聲波的振幅則決定了聲音的響度。3.1.1聲波的數(shù)學(xué)描述聲波可以被描述為壓力或位移隨時(shí)間和空間變化的函數(shù)。在理想條件下，聲波的傳播可以用一維波動(dòng)方程來(lái)描述：?其中，p是聲壓，x是空間坐標(biāo)，t是時(shí)間，c是聲速。3.1.2聲波的傳播聲波在介質(zhì)中的傳播受到介質(zhì)的密度和彈性的影響。在不同的介質(zhì)中，聲波的傳播速度和特性會(huì)有所不同。例如，聲波在水中的傳播速度比在空氣中快，這是因?yàn)樗拿芏群蛷椥远急瓤諝獯蟆?.2聲學(xué)模擬的數(shù)學(xué)模型在進(jìn)行聲學(xué)模擬時(shí)，我們通常使用數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)聲波在特定環(huán)境中的行為。這些模型基于波動(dòng)方程，但為了適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境和邊界條件，它們可能需要進(jìn)行一定的修改和擴(kuò)展。3.2.1波動(dòng)方程的數(shù)值解在實(shí)際應(yīng)用中，我們很少能夠直接求解波動(dòng)方程的解析解。因此，通常采用數(shù)值方法來(lái)求解，如有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）或有限差分法（FDM）。這些方法將連續(xù)的波動(dòng)方程離散化，轉(zhuǎn)化為一系列的代數(shù)方程，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)求解。有限元法示例下面是一個(gè)使用Python和FEniCS庫(kù)進(jìn)行聲學(xué)模擬的簡(jiǎn)單示例。FEniCS是一個(gè)用于求解偏微分方程的高級(jí)數(shù)值求解器。fromfenicsimport*

#創(chuàng)建網(wǎng)格和函數(shù)空間

mesh=UnitSquareMesh(8,8)

V=FunctionSpace(mesh,'P',1)

#定義邊界條件

defboundary(x,on_boundary):

returnon_boundary

bc=DirichletBC(V,Constant(0),boundary)

#定義變分問(wèn)題

u=TrialFunction(V)

v=TestFunction(V)

f=Constant(0)

c=Constant(1)

a=dot(grad(u),grad(v))*dx

L=f*v*dx

#求解問(wèn)題

u=Function(V)

solve(a==L,u,bc)

#輸出結(jié)果

plot(u)

interactive()在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè)單位正方形的網(wǎng)格，并在邊界上施加了零聲壓的邊界條件。然后，我們定義了變分問(wèn)題，其中a是變分形式的左端，L是右端的源項(xiàng)。最后，我們求解了這個(gè)變分問(wèn)題，并輸出了聲壓的分布。3.2.2聲學(xué)邊界條件在聲學(xué)模擬中，邊界條件的設(shè)定至關(guān)重要。常見(jiàn)的邊界條件包括：剛性邊界：聲波在剛性邊界上完全反射。吸收邊界：模擬聲波在邊界上的吸收，減少反射。周期性邊界：在周期性結(jié)構(gòu)中使用，如聲學(xué)晶體。3.2.3聲學(xué)模擬的后處理模擬完成后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理是理解聲學(xué)現(xiàn)象的關(guān)鍵。這可能包括可視化聲壓分布、計(jì)算聲場(chǎng)的特性（如聲強(qiáng)、聲功率）或分析頻率響應(yīng)。可視化聲壓分布使用Python的matplotlib庫(kù)，我們可以輕松地可視化聲壓分布。importmatplotlib.pyplotasplt

#假設(shè)我們有一個(gè)聲壓分布數(shù)據(jù)p_data

p_data=pute_vertex_values()

#創(chuàng)建圖像

plt.figure()

plt.imshow(p_data.reshape((mesh.num_vertices(),1)),cmap='viridis')

plt.colorbar()

plt.title('聲壓分布')

plt.show()在這個(gè)示例中，我們首先計(jì)算了聲壓分布的頂點(diǎn)值，然后使用imshow函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)圖像，顯示了聲壓的分布。通過(guò)調(diào)整顏色映射和圖像的其他屬性，我們可以更詳細(xì)地分析聲學(xué)模擬的結(jié)果。通過(guò)以上介紹，我們了解了聲學(xué)模擬的基礎(chǔ)原理和數(shù)學(xué)模型，以及如何使用數(shù)值方法和后處理技術(shù)來(lái)模擬和分析聲學(xué)現(xiàn)象。這為更深入地研究和應(yīng)用聲學(xué)模擬提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4SimScale中的振動(dòng)模擬設(shè)置4.1創(chuàng)建振動(dòng)模擬項(xiàng)目在開(kāi)始振動(dòng)模擬之前，首先需要在SimScale平臺(tái)上創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目。這一步驟涉及到定義項(xiàng)目的基本信息，如項(xiàng)目名稱、描述以及選擇正確的模擬類型。對(duì)于振動(dòng)分析，通常選擇“結(jié)構(gòu)力學(xué)”下的“模態(tài)分析”或“瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析”。4.1.1步驟1：登錄SimScale訪問(wèn)SimScale官網(wǎng)并登錄您的賬戶。4.1.2步驟2：創(chuàng)建新項(xiàng)目點(diǎn)擊“創(chuàng)建項(xiàng)目”按鈕。選擇“結(jié)構(gòu)力學(xué)”類別下的“模態(tài)分析”或“瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析”。輸入項(xiàng)目名稱和描述，然后點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。4.2定義材料與邊界條件4.2.1材料定義在SimScale中，材料的定義對(duì)于振動(dòng)分析至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了結(jié)構(gòu)的彈性模量、泊松比和密度等屬性。這些屬性直接影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。示例：定義鋼材料material:

name:Steel

type:Solid

properties:

density:7850#kg/m^3

youngs_modulus:210e9#Pa

poisson_ratio:0.29這段代碼定義了一個(gè)名為“Steel”的材料，其密度為7850kg/m^3，彈性模量為210e9Pa，泊松比為0.29。4.2.2邊界條件設(shè)置邊界條件包括固定約束、力、壓力和位移等，它們定義了結(jié)構(gòu)在模擬中的受力情況。示例：固定約束boundary_conditions:

-name:Fixed_support

type:Fixed

faces:['face_1','face_2']此代碼塊設(shè)置了一個(gè)名為“Fixed_support”的固定約束，應(yīng)用于“face_1”和“face_2”兩個(gè)面。示例：施加力boundary_conditions:

-name:Applied_force

type:Force

value:[0,0,-1000]#N

faces:['face_3']這里定義了一個(gè)名為“Applied_force”的力邊界條件，力的大小為1000N，方向沿負(fù)z軸，作用于“face_3”面。4.3網(wǎng)格生成與求解器選擇4.3.1網(wǎng)格生成網(wǎng)格生成是將結(jié)構(gòu)模型離散化為有限元的過(guò)程，這對(duì)于數(shù)值模擬是必要的。SimScale提供了自動(dòng)網(wǎng)格生成工具，同時(shí)也允許用戶自定義網(wǎng)格設(shè)置。示例：自動(dòng)網(wǎng)格生成mesh:

name:AutoMesh

algorithm:Automatic這段代碼使用自動(dòng)算法生成網(wǎng)格，命名為“AutoMesh”。4.3.2求解器選擇選擇正確的求解器對(duì)于獲得準(zhǔn)確的振動(dòng)分析結(jié)果至關(guān)重要。SimScale提供了多種求解器，包括線性和非線性求解器。示例：選擇模態(tài)分析求解器solver:

name:Modal_Analysis

type:Modal

settings:

number_of_modes:10此代碼塊選擇了模態(tài)分析求解器，命名為“Modal_Analysis”，并設(shè)置計(jì)算前10個(gè)模態(tài)。4.3.3示例：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析求解器solver:

name:Transient_Dynamics

type:Transient

settings:

time_step:0.01#s

end_time:1#s這里選擇了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析求解器，命名為“Transient_Dynamics”，設(shè)置了時(shí)間步長(zhǎng)為0.01秒，模擬結(jié)束時(shí)間為1秒。通過(guò)以上步驟，您可以在SimScale中設(shè)置并運(yùn)行振動(dòng)模擬項(xiàng)目，分析結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。確保材料屬性、邊界條件和求解器設(shè)置的準(zhǔn)確性，以獲得可靠的模擬結(jié)果。5SimScale中的聲學(xué)模擬設(shè)置5.1創(chuàng)建聲學(xué)模擬項(xiàng)目在SimScale平臺(tái)上進(jìn)行聲學(xué)模擬，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目。這一步驟涉及到定義項(xiàng)目的基本信息，包括項(xiàng)目名稱、描述以及選擇合適的模擬類型。對(duì)于聲學(xué)模擬，通常選擇的是“AcousticAnalysis”類型。5.1.1步驟1：登錄SimScale打開(kāi)SimScale官網(wǎng)，使用您的賬號(hào)登錄。5.1.2步驟2：創(chuàng)建項(xiàng)目點(diǎn)擊“CreateProject”按鈕。在彈出的窗口中輸入項(xiàng)目名稱，例如“聲學(xué)模擬案例”。選擇“AcousticAnalysis”作為模擬類型。5.1.3步驟3：上傳幾何模型從您的本地文件中上傳CAD模型。確保模型是封閉的，沒(méi)有錯(cuò)誤。5.1.4步驟4：定義材料和邊界條件為模型中的每個(gè)部分定義材料屬性，如密度和聲速。設(shè)置邊界條件，包括聲源和聲壓邊界。5.2定義聲源與接收器聲源和接收器的定義是聲學(xué)模擬的關(guān)鍵部分。聲源可以是點(diǎn)源、面源或體源，而接收器則是用于測(cè)量聲壓級(jí)的位置。5.2.1聲源設(shè)置在“Sources”選項(xiàng)中，選擇“PointSource”或“VolumeSource”。設(shè)置聲源的頻率、功率和方向。5.2.2接收器設(shè)置在“Receivers”選項(xiàng)中，定義接收器的位置?？梢栽O(shè)置多個(gè)接收器，以獲取不同位置的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。5.2.3示例：定義點(diǎn)聲源#定義點(diǎn)聲源

source={

"type":"POINT_SOURCE",

"position":[0.0,0.0,0.0],#聲源位置

"frequency":1000,#聲源頻率

"power":1.0,#聲源功率

"direction":[1.0,0.0,0.0]#聲源方向

}5.2.4示例：定義接收器#定義接收器

receiver={

"type":"RECEIVER",

"position":[1.0,1.0,1.0]#接收器位置

}5.3網(wǎng)格生成與求解器選擇網(wǎng)格生成是模擬準(zhǔn)備過(guò)程中的重要步驟，它影響模擬的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間。求解器的選擇則決定了模擬的類型和方法。5.3.1網(wǎng)格生成使用SimScale的自動(dòng)網(wǎng)格生成工具，或手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)。確保網(wǎng)格在聲源和接收器附近足夠精細(xì)。5.3.2求解器選擇選擇“AcousticPressureSolver”或“AcousticIntensitySolver”。根據(jù)模擬需求調(diào)整求解器的設(shè)置，如時(shí)間步長(zhǎng)和迭代次數(shù)。5.3.3示例：手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)#手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)

mesh_settings={

"type":"MESH_STANDARD",

"refinement":{

"type":"GLOBAL",

"levels":3

},

"local_refinements":[

{

"type":"SURFACE",

"surface":"聲源面",

"levels":5

},

{

"type":"VOLUME",

"volume":"接收器體",

"levels":4

}

]

}5.3.4示例：選擇并設(shè)置求解器#選擇并設(shè)置求解器

solver_settings={

"type":"ACOUSTIC_PRESSURE_SOLVER",

"time_step":0.001,#時(shí)間步長(zhǎng)

"iterations":1000,#迭代次數(shù)

"cutoff_frequency":2000#截止頻率

}通過(guò)以上步驟，您可以在SimScale中設(shè)置并運(yùn)行一個(gè)基本的聲學(xué)模擬項(xiàng)目。確保在模擬前檢查所有設(shè)置，以獲得最佳的模擬結(jié)果。6振動(dòng)與聲學(xué)模擬案例分析6.1振動(dòng)模擬案例：機(jī)械結(jié)構(gòu)6.1.1原理在機(jī)械工程領(lǐng)域，振動(dòng)分析是評(píng)估結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下行為的關(guān)鍵步驟。SimScale平臺(tái)提供了強(qiáng)大的有限元分析(FEA)工具，用于模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。這包括模態(tài)分析，以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，以及瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，以模擬結(jié)構(gòu)在時(shí)間域內(nèi)的響應(yīng)。模態(tài)分析模態(tài)分析是一種靜態(tài)分析，用于確定結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型。在SimScale中，模態(tài)分析通過(guò)求解結(jié)構(gòu)的特征值問(wèn)題來(lái)實(shí)現(xiàn)，這涉及到結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣。模態(tài)分析的結(jié)果可以幫助工程師避免設(shè)計(jì)中的共振，減少振動(dòng)引起的噪音和疲勞。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析用于模擬結(jié)構(gòu)在時(shí)間域內(nèi)的響應(yīng)，包括結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)載荷下的位移、速度和加速度。SimScale的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析功能可以處理復(fù)雜的載荷情況，如沖擊、振動(dòng)和地震載荷，提供結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間點(diǎn)的詳細(xì)響應(yīng)。6.1.2內(nèi)容假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如一個(gè)懸臂梁，需要進(jìn)行振動(dòng)分析。我們將使用SimScale進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。模態(tài)分析示例定義模型：在SimScale中創(chuàng)建一個(gè)懸臂梁的3D模型。材料屬性：為梁指定材料屬性，如彈性模量和密度。網(wǎng)格劃分：使用SimScale的網(wǎng)格生成工具，創(chuàng)建一個(gè)適合模態(tài)分析的網(wǎng)格。求解設(shè)置：選擇模態(tài)分析類型，設(shè)置求解器參數(shù)，如求解的模態(tài)數(shù)量。運(yùn)行分析：提交分析任務(wù)，SimScale將計(jì)算梁的自然頻率和振型。結(jié)果可視化：分析完成后，使用SimScale的后處理工具，可視化梁的振型和自然頻率。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析示例定義模型：使用與模態(tài)分析相同的懸臂梁模型。邊界條件：定義梁的固定端和自由端，以及施加在自由端的動(dòng)態(tài)載荷。時(shí)間步設(shè)置：設(shè)置分析的時(shí)間步長(zhǎng)和總時(shí)間。求解設(shè)置：選擇瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析類型，設(shè)置求解器參數(shù)，如時(shí)間積分方法。運(yùn)行分析：提交分析任務(wù)，SimScale將計(jì)算梁在動(dòng)態(tài)載荷下的時(shí)間響應(yīng)。結(jié)果可視化：分析完成后，使用SimScale的后處理工具，可視化梁的位移、速度和加速度隨時(shí)間的變化。6.1.3示例代碼雖然SimScale主要通過(guò)圖形界面操作，但其API允許用戶通過(guò)編程進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)置和自動(dòng)化分析。以下是一個(gè)使用Python通過(guò)SimScaleAPI設(shè)置模態(tài)分析的簡(jiǎn)化示例：#導(dǎo)入SimScaleAPI庫(kù)

fromsimscale_sdkimport*

#創(chuàng)建項(xiàng)目

project=Project(name="ModalAnalysisofCantileverBeam")

api_client=ApiClient()

project_api=ProjectApi(api_client)

project=project_api.create_project(project)

#定義幾何

geometry=Geometry(name="CantileverBeam",file_format="STL",file_path="path/to/cantilever_beam.stl")

geometry_api=GeometryApi(api_client)

geometry=geometry_api.create_geometry(project.id,geometry)

#設(shè)置材料

material=Material(name="Steel",density=7850,youngs_modulus=210e9,poisson_ratio=0.3)

material_api=MaterialApi(api_client)

material=material_api.create_material(project.id,material)

#定義模態(tài)分析設(shè)置

modal_analysis=ModalAnalysis(name="ModalAnalysis",solver="Eigen",number_of_modes=10)

modal_analysis_api=ModalAnalysisApi(api_client)

modal_analysis=modal_analysis_api.create_modal_analysis(project.id,modal_analysis)

#提交分析

analysis_api=AnalysisApi(api_client)

analysis=analysis_api.create_analysis(project.id,modal_analysis)

#等待分析完成

analysis_status=analysis_api.get_analysis_status(project.id,analysis.id)

whileanalysis_status.status!="FINISHED":

analysis_status=analysis_api.get_analysis_status(project.id,analysis.id)

time.sleep(60)#每60秒檢查一次狀態(tài)

#獲取結(jié)果

result_api=ResultApi(api_client)

results=result_api.get_results(project.id,analysis.id)6.1.4描述上述代碼示例展示了如何使用SimScaleAPI創(chuàng)建一個(gè)模態(tài)分析項(xiàng)目，定義幾何、材料屬性，設(shè)置模態(tài)分析參數(shù)，并提交分析。通過(guò)API，用戶可以自動(dòng)化分析流程，處理大量數(shù)據(jù)，以及集成SimScale到現(xiàn)有的工作流程中。6.2聲學(xué)模擬案例：室內(nèi)聲環(huán)境6.2.1原理聲學(xué)模擬用于預(yù)測(cè)和分析聲音在室內(nèi)環(huán)境中的傳播和反射。SimScale的聲學(xué)分析功能基于有限體積法(FVM)，可以模擬聲波在復(fù)雜幾何中的傳播，包括考慮材料的吸聲和反射特性。這在建筑設(shè)計(jì)、聲學(xué)工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中尤為重要，以優(yōu)化聲學(xué)性能，減少噪音污染。聲學(xué)分析類型SimScale提供多種聲學(xué)分析類型，包括：線性聲學(xué)分析：適用于低至中等聲壓級(jí)的分析，可以模擬聲波的傳播和反射。非線性聲學(xué)分析：適用于高聲壓級(jí)的分析，考慮聲波的非線性效應(yīng)。聲學(xué)優(yōu)化分析：通過(guò)改變材料屬性或幾何形狀，優(yōu)化室內(nèi)聲環(huán)境。6.2.2內(nèi)容假設(shè)我們需要分析一個(gè)會(huì)議室的聲學(xué)環(huán)境，以評(píng)估聲音的清晰度和回聲問(wèn)題。我們將使用SimScale進(jìn)行線性聲學(xué)分析。分析步驟定義模型：在SimScale中創(chuàng)建會(huì)議室的3D模型，包括墻壁、天花板和地板。材料屬性：為每個(gè)表面指定材料的吸聲和反射系數(shù)。網(wǎng)格劃分：使用SimScale的網(wǎng)格生成工具，創(chuàng)建一個(gè)適合聲學(xué)分析的網(wǎng)格。邊界條件：定義聲源位置和特性，以及房間的邊界條件。求解設(shè)置：選擇線性聲學(xué)分析類型，設(shè)置求解器參數(shù)，如頻率范圍和聲壓級(jí)。運(yùn)行分析：提交分析任務(wù)，SimScale將計(jì)算房間內(nèi)的聲壓分布。結(jié)果可視化：分析完成后，使用SimScale的后處理工具，可視化聲壓分布和回聲時(shí)間。6.2.3示例代碼以下是一個(gè)使用Python通過(guò)SimScaleAPI設(shè)置線性聲學(xué)分析的簡(jiǎn)化示例：#導(dǎo)入SimScaleAPI庫(kù)

fromsimscale_sdkimport*

#創(chuàng)建項(xiàng)目

project=Project(name="AcousticAnalysisofMeetingRoom")

api_client=ApiClient()

project_api=ProjectApi(api_client)

project=project_api.create_project(project)

#定義幾何

geometry=Geometry(name="MeetingRoom",file_format="STL",file_path="path/to/meeting_room.stl")

geometry_api=GeometryApi(api_client)

geometry=geometry_api.create_geometry(project.id,geometry)

#設(shè)置材料

material=Material(name="WallMaterial",absorption_coefficient=0.2,reflection_coefficient=0.8)

material_api=MaterialApi(api_client)

material=material_api.create_material(project.id,material)

#定義聲學(xué)分析設(shè)置

acoustic_analysis=AcousticAnalysis(name="AcousticAnalysis",solver="Linear",frequency_range=[100,10000],sound_pressure_level=80)

acoustic_analysis_api=AcousticAnalysisApi(api_client)

acoustic_analysis=acoustic_analysis_api.create_acoustic_analysis(project.id,acoustic_analysis)

#定義聲源

sound_source=SoundSource(name="Speaker",position=[3,2,2],direction=[0,0,1],power=10)

sound_source_api=SoundSourceApi(api_client)

sound_source=sound_source_api.create_sound_source(project.id,acoustic_analysis.id,sound_source)

#提交分析

analysis_api=AnalysisApi(api_client)

analysis=analysis_api.create_analysis(project.id,acoustic_analysis)

#等待分析完成

analysis_status=analysis_api.get_analysis_status(project.id,analysis.id)

whileanalysis_status.status!="FINISHED":

analysis_status=analysis_api.get_analysis_status(project.id,analysis.id)

time.sleep(60)#每60秒檢查一次狀態(tài)

#獲取結(jié)果

result_api=ResultApi(api_client)

results=result_api.get_results(project.id,analysis.id)6.2.4描述此代碼示例展示了如何使用SimScaleAPI創(chuàng)建一個(gè)聲學(xué)分析項(xiàng)目，定義會(huì)議室的幾何、材料屬性，設(shè)置聲學(xué)分析參數(shù)，定義聲源，并提交分析。通過(guò)API，用戶可以自動(dòng)化聲學(xué)分析流程，處理復(fù)雜的聲學(xué)場(chǎng)景，以及集成SimScale到現(xiàn)有的聲學(xué)工程工作流程中。7結(jié)果分析與后處理7.1振動(dòng)結(jié)果的可視化在進(jìn)行振動(dòng)模擬后，理解并可視化結(jié)果是關(guān)鍵步驟，它幫助工程師和設(shè)計(jì)師直觀地了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)行為。SimScale提供了多種工具來(lái)分析振動(dòng)結(jié)果，包括位移、速度、加速度和應(yīng)力分布。7.1.1位移云圖位移云圖是展示結(jié)構(gòu)在特定頻率下位移幅度的常用方法。在SimScale的后處理模塊中，用戶可以輕松生成位移云圖，通過(guò)顏色梯度直觀地看到結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的位移大小。示例假設(shè)我們有一個(gè)簡(jiǎn)單的梁模型，其振動(dòng)模擬結(jié)果已上傳至SimScale。要生成位移云圖，我們首先選擇“結(jié)果控制”下的“位移”選項(xiàng)，然后調(diào)整顏色映射范圍以突出顯示關(guān)鍵區(qū)域的位移。-選擇“結(jié)果控制”下的“位移”選項(xiàng)。

-調(diào)整顏色映射范圍。

-選擇“可視化”以生成位移云圖。7.1.2動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析用于評(píng)估結(jié)構(gòu)在振動(dòng)條件下的應(yīng)力分布。SimScale的后處理工具可以顯示動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖，幫助識(shí)別可能的疲勞或損壞區(qū)域。示例在SimScale中，我們可以通過(guò)以下步驟分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力：-選擇“結(jié)果控制”下的“應(yīng)力”選項(xiàng)。

-調(diào)整時(shí)間步或頻率范圍。

-選擇“可視化”以生成動(dòng)態(tài)應(yīng)力云圖。7.2聲學(xué)結(jié)果的分析與優(yōu)化聲學(xué)模擬結(jié)果的分析對(duì)于理解產(chǎn)品在使用過(guò)程中的聲音特性至關(guān)重要。SimScale提供了強(qiáng)大的聲學(xué)后處理工具，包括聲壓級(jí)云圖、聲功率和聲強(qiáng)分析。7.2.1聲壓級(jí)云圖聲壓級(jí)云圖顯示了聲場(chǎng)中聲壓的分布。在SimScale中，用戶可以生成三維聲壓級(jí)云圖，以可視化聲源周圍的空間聲壓分布。示例假設(shè)我們模擬了一個(gè)揚(yáng)聲器的聲學(xué)特性，要生成聲壓級(jí)云圖，我們遵循以下步驟：-選擇“結(jié)果控制”下的“聲壓級(jí)”選項(xiàng)。

-調(diào)整顏色映射范圍以顯示不同聲壓級(jí)。

-選擇“可視化”以生成聲壓級(jí)云圖。7.2.2聲功率分析聲功率是聲源發(fā)出的總聲能。SimScale的聲功率分析工具可以幫助用戶評(píng)估產(chǎn)品在不同條件下的噪聲排放。示例在SimScale中，我們可以通過(guò)以下步驟進(jìn)行聲功率分析：-選擇“結(jié)果控制”下的“聲功率”選項(xiàng)。

-選擇要分析的聲源。

-選擇“計(jì)算”以生成聲功率結(jié)果。7.2.3聲強(qiáng)分析聲強(qiáng)分析用于確定聲能的流動(dòng)方向和強(qiáng)度。SimScale的聲強(qiáng)分析工具可以顯示聲強(qiáng)矢量圖，幫助用戶理解聲能如何在空間中傳播。示例要進(jìn)行聲強(qiáng)分析，我們遵循以下步驟：-選擇“結(jié)果控制”下的“聲強(qiáng)”選項(xiàng)。

-調(diào)整時(shí)間步或頻率范圍。

-選擇“可視化”以生成聲強(qiáng)矢量圖。通過(guò)這些工具，用戶可以深入分析振動(dòng)和聲學(xué)模擬結(jié)果，識(shí)別潛在問(wèn)題，并優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高性能和用戶體驗(yàn)。8高級(jí)技巧與最佳實(shí)踐8.1振動(dòng)與聲學(xué)模擬的高級(jí)設(shè)置在進(jìn)行振動(dòng)與聲學(xué)模擬時(shí)，SimScale平臺(tái)提供了豐富的高級(jí)設(shè)置選項(xiàng)，以幫助