車載揚聲器結構靜動力學有限元分析

葛鑫鑫，黃輝祥

(南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211100)

0 引言

揚聲器是將電能轉化為聲能的專用器材，其主要功能便是實現能量形式的轉化[1]。在汽車上的諸多因素，譬如空間狹小不規則、行進中的顛簸碰撞等不利條件，對揚聲器脆弱的結構有不小的考驗，通過對其受力和跌落時的受力情況進行正確的計算和仿真[2]，以此提高車載揚聲器的動靜力學性能[3]。同時進行模態分析可得到固有頻率[4]，為揚聲器機構設計提供依據。

1 揚聲器的結構介紹

揚聲器經過渲染的裝配體模型如圖1所示。

圖1 揚聲器正面及其渲染圖

揚聲器的爆炸視圖可以更好地觀察其結構組成，如圖2所示。

圖2 揚聲器的爆炸視圖

圖2中部件的結構材料屬性見表1。

表1 揚聲器材料屬性和特性參數

2 揚聲器的有限元跌落仿真分析及其結果對比

支架的整體外部結構包括一部分的海綿、鈑金部分以及薄膜等，在省去了海綿和線圈模型的同時，進行了兩個角度跌落過程的模擬分析，跌落角度如圖3和圖4所示。跌落角度1是支架側邊跌落和剛性面直接接觸，受重力作用;跌落角度2是45°側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的速度是4.427 m/s。結合裝配體的結構特性以及計算的效率，文中設計所選擇的單元類型是ABAQUS的單元庫當中的C3D8R，即八結點線性六面體單元，為了確保運算過程精準和程序運行過程中的收斂性相關要求，需要對部分網格進行細化，如圖5所示。

圖5 支架的跌落有限元分析網格

2.1 接觸相關定義

各零部件之間采用綁定約束使其在跌落碰撞過程中仍保持整體，揚聲器和地面存在著非線性的作用性質，需要正確定義兩個結構表面的接觸作用。主面應當選擇剛性面，從面應當選擇支架，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的重力場與速度示意

2.3 分析結果

(1)跌落角度1的分析結果

各個模塊確認無誤，跌落角度1的分析模型如圖9所示。支架所受到的最大應力為361.1 MPa，小于材料的強度需求366 MPa，結構強度合格。跌落角度1的應力分布云圖背面圖如圖10所示，最大值用標識引出，方便讀者觀察。

(2)跌落角度2的分析結果

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

圖9 跌落角度1應力圖

圖10 跌落角度1背面應力分布云圖

圖11 跌落角度2的正面應力云圖

圖12 跌落角度2應力云圖剖視圖

(3)其他角度

由于支架結構的對稱性，經由跌落角度1和跌落角度2便可合理地推導出揚聲器在實際應用中支架受力能否符合力學要求，由于支架對于揚聲器內部部件如音圈桿、錐形薄膜和線圈等的保護更為重要，因此可以得出揚聲器整體承載結構合格的結論。

圖13 跌落角度2背面應力云圖

3 車載揚聲器的有限元模態分析及其結果對比

進行模態分析時，需要將零件之間的相互綁定的約束保留，因為其為統一的裝配體，使用了約束模態的分析方法，因此需要對4個安裝孔進行固定約束，這樣才能得到相對準確的約束模態分析，具體約束位置如圖14所示。

圖14 揚聲器約束位置示意

計算機運算之后，觀察前12階模態分析結果，匯總結果見表2。

表2 車載揚聲器前12階模態固有頻率的計算分析結果

大多數情況下只會特別在意結構低階的固有頻率或者是某些特定階的頻率，原因便是結構自身固有頻率倘若越小，就更加輕易會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。此外還有的時候結構會在特定激勵如轉速等的條件下進行工作運行，所以對于一些特定工作情況下的階數，也需要多多注意。

圖15 揚聲器前4階振型圖

獲取了車載揚聲器的低階振型和固有頻率之后，可進一步進行半正弦沖擊響應分析，可將激勵函數輸入，得到相應的動態響應，便可以知道各個方向的最大放大系數值。除了沖擊響應分析，利用已知的約束結構模態分析，就可以研究整體結構在承受隨機載荷下的受載情況。

總之，進行裝配體的模態分析可以對沖擊響應分析和隨機振動分析起到鋪墊作用，用處較廣，具有一定的參考價值。

4 結束語

文中對車載揚聲器跌落時的兩個關鍵角度進行了重點分析，驗證在跌落過程中揚聲器的應力應變情況，分別得到了跌落角度下的最大應力符合要求。為證實其結構穩定性和安全性提供了可靠的支撐以及參考。

再者結合有限元分析軟件的模態分析功能，設定相應的要求，對模態分析的各階數結果進行分析，主要是低階模態的振型和頻率，為實際使用進行工作頻率上的參考。