(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210966109.5 (22)申请日 2022.08.12 (71)申请人 蒋剑 地址 100061 北京市东城区双玉中街37号 (72)发明人 蒋剑　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 专利代理师 翁惠瑜 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于空间谱 单元的声学振动模拟预测方法、 存储介质及设备 (57)摘要 本发明涉及一种基于空间谱单元的声学振 动模拟预测方法、 存储介质及设备， 所述方法包 括： 对待预测对象进行单元划分， 将大型结构划 分为空间谱单元， 其余细微结构划分为有限元， 基于单元划分结果对所述待预测对象进行建模； 根据待预测对象的实际情况设置边界条件、 激 励、 响应点及各单元间的耦合， 加入已构建的模 型中； 计算当前模型系统振动方程中的系统矩 阵； 根据实际需求对所述系统振动方程进行求 解， 获得求解结果， 所述求解结果包括固有频率 和系统响应等； 基于所述求解结果对构建的模型 进行可视化。 与现有技术相比， 本发明具有单元 形状任意、 计算效率高、 并能够直接在系统方程 中考虑声辐射对 结构振动的影 响， 不需要后期处 理或迭代等优点。 权利要求书1页 说明书7页 附图2页 CN 115169200 A 2022.10.11 CN 115169200 A 1.一种基于空间谱单 元的声学振动模拟预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 对待预测对象进行单元划分， 将大型结构划分为空间谱单元， 其余细微结构划分为有 限元， 所述大 型结构包括梁、 板、 壳或管道， 基于单 元划分结果对所述待预测对象进行建模； 根据待预测对象的实际情况设置边界条件、 激励、 响应点及各单元间的耦合， 加入已构 建的模型中； 计算当前模型中各谱单元的系数矩阵， 并由系数矩阵组装得到系统振动方程中的系统 矩阵； 根据实际需求对所述系统振动方程进行求解， 获得求解结果， 所述求解结果包括固有 频率和系统响应； 基于所述 求解结果对构建的模型进行 可视化。 2.根据权利要求1所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 设置 各单元间的耦合时， 以弹性构件作为耦合件， 所述耦合包括 点耦合、 面耦合或线 耦合。 3.根据权利要求1所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 所述 谱单元的系数矩阵的计算具体为： 基于利用傅里叶级数获取振动解； 基于所述振动解获取动能、 势能和外力功； 利用Rayleigh ‑Ritz方法和Hami lton方程， 考虑系统稳定状态， 推导获得系数矩阵。 4.根据权利要求3所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 若单 元的材料和特性随位置变化， 则使用数值积分方法计算系数矩阵。 5.根据权利要求3所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 若存 在单元间的耦合， 则耦合刚度的影响加入到势能项中。 6.根据权利要求1所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 该方 法还包括： 构建辐射模型， 该辐射模型将每个单元划分为多个区域， 每个区域看作是一个声源， 根 据该单元在该区域振动幅度的大小， 推导出该声源对模型中某一点处声压的贡献， 将所有 声源的贡献进行叠加， 则得到该点处的总声压； 在计算各 单元的系数矩阵时考虑该 单元上各点的所述总声压 。 7.根据权利要求6所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 所述 声源为点声源或偶极子声源。 8.根据权利要求6所述的基于空间谱单元的声学振动模拟预测方法， 其特征在于， 在计 算各单元的系数矩阵时考虑该 单元上各点的所述总声压具体为： 将所述总声压视为一个系统附加的外力， 获取该外力所产生的外力功， 基于该外力功 的叠加计算系数矩阵。 9.一种计算机可读存储介质， 其特征在于， 包括供电子设备的一个或多个处理器执行 的一个或多个程序， 所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1 ‑8任一所述基于空间 谱单元的声学振动模拟预测方法的指令 。 10.一种电子设备， 其特征在于， 包括一个或多个处理器、 存储器和被存储在存储器中 的一个或多个程序， 所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1 ‑8任一所述基于空间 谱单元的声学振动模拟预测方法的指令 。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115169200 A 2基于空间谱单元的声学振动模拟预测方 法、 存储介质及设 备 技术领域 [0001]本发明属于声学振动分析技术领域， 尤其是涉及 一种基于空间谱单元的声学振动 模拟预测方法、 存 储介质及设备。 背景技术 [0002]声学与振动的数值模拟和预测广泛应用于各大关系国计民生的工业领域中， 比如 建筑、 桥梁、 船舶、 火车、 航空航天、 医疗器械等。 目前该领域使用最广泛的数值模拟方法还 是有限元法， 对于某些高频情况使用统计能量法， 对于某些大空间的辐 射和传播使用边界 元法。 这些 方法各有优势和缺陷。 [0003]有限元法理论简单， 模型成熟， 应用最为广泛， 但是有限元要求每个波长内需有一 定数量的结点， 以保证结果的精度， 这就使得有限元矩阵在计算大型模型高频情况时， 会因 为模型太大而需要极其 强大的运算资源。 即使是低频情况， 如果模型较大， 比如船舶工业上 的整船， 有限元就有些力不从心了。 统计能量法作为替代方法可以在一定程度上弥补有限 元方法在高频运算上的缺陷。 但是， 统计能量法主要基于声振传播理论， 在理论上的简化很 大， 结果很难由实验 验证， 更多的是作为 一个在统计层面上的指标。 [0004]另外， 有限元不擅长处理大空间内的声辐射和传播， 因为有限元需要将整个空间 划分网格。 对于这些工况， 边界元方法可以使用较少的单元数达到与有限元类似的精度， 从 而在一定程度上替代有限元， 但是 由于边界元本身理论的原因， 其系统矩阵往往不是对称 方阵， 格林函数在某些情况下不收敛或者耗时极长。 另外， 对于一些工况， 比如折角和拐点， 边界元不能很好的处理。 但是边界元有它不可替代的优势， 那就是只需要考虑边界， 不管 空 间大小。 这是有限元不能及的。 所以， 边界元作为弥补 有限元在预测大空间内的声辐射和传 播缺陷的替代方法更为 合适。 [0005]再有， 有限元和边界元单元内的值都是由结点值插值得到 的， 这就使得任意点值 在一定程度上受到了插值函数 的影响， 从而引入误差。 谱单元法也是解声学偏微分方程的 一种方法， 它不需要像有限元这样划分很细的单元， 以保证每个波长内的单元数量， 因此单 元数量可以大大减少。 谱单元法的未知量是谱的系数， 因此在这些系数确定后， 单元内任一 点的值都是确定的， 而非差值。 这都是谱元强大 的优势。 谱元的缺陷是理论比较复杂， 针对 每个单元类型及其相关耦合开发出解析解费时费力。 如果由数值解代替解析解， 则运算量 成指数倍增长。 正是因为理论推导的复杂性， 之前的谱单元都是正规的矩形、 直角三角形 等。 虽然有人利用与有限元类似的形函数方法对单元进行改造， 但是这样就失去了谱元不 受波长内单元数 的限制的优势。 如果将谱元划分到与有限元单元相同的大小， 由于其系统 矩阵的复杂性， 它就不如 有限元的效率高了。 也是 因此， 谱元在处理细微的结构细节时不如 有限元。 同时， 适用于谱单元 的相关声振辐 射引发的附加质量和辐 射效率的模型之前也没 有被系统开发过， 这些都限制了谱元在声学和振动预测领域的应用。说　明　书 1/7 页 3 CN 115169200 A 3