得益于多物理場問題仿真的簡便性，Ansys LS-DYNA工具一直被廣泛用于高科技產(chǎn)業(yè)，本文將介紹如何使用LS-DYNA多物理場功能進行聲振仿真，首先將介紹建模方法以及對聲振響應結果，進行后處理的方法，以及影響聲學響應的參數(shù)。
卡扣組件是日常生活中的常用產(chǎn)品，如電氣連接器。上圖右下案例展示了光纖連接器，PCB連接器，電源連接器等，還有其他多種連接器。如果這類應用的卡扣插入不良，電氣連接功能就會下降，因為兩個接合件之間的接觸區(qū)域十分重要。因此作為機械工程師，我們的責任是設計出合理的卡扣，使機械結構接觸良好，并保持電氣連接通暢。
設計上主要的挑戰(zhàn)在于，卡扣的閉合是一個裝配的過程，這個過程是動態(tài)的，卡扣的幾何結構越來越小形狀越來越復雜，而且材料不斷創(chuàng)新，卡扣設計必須能夠適應這些變化。在裝配過程中，連接件之間連接良好的關鍵指標是能達到一定的反作用力，這個過程可使用LS-DYNA輕松地進行仿真，快速裝配時間、滑動接觸、非線性材料等都需要顯式求解器。
第二個重要的指標是特定的聲學特征，也就是咔嗒聲，這個可用來判斷卡扣在裝配過程中的嚙合是否成功與嚙合質(zhì)量，目前還沒有成熟的方法可對這種聲學響應進行仿真。這類問題需要運用LS-DYNA這樣的求解器來對復雜的多物理場進行仿真。
RJ-45是第45號注冊插座（通常稱為以太網(wǎng)接口或網(wǎng)絡接口），這些是許多標準化插座和插頭系列產(chǎn)品之一，屬于微型模塊化連接器。這些連接器主要用于把支持互聯(lián)網(wǎng)的設備直接插入調(diào)制解調(diào)器、路由器或服務器等硬件中。為什么設備之間更傾向于選用以太網(wǎng)連接呢？因為在大多數(shù)情況下以太網(wǎng)連接可提供比無線連接更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，而且這也有助于防止黑客截獲敏感數(shù)據(jù)，有兩種類型的連接器部件，一種是插頭，它們是位于以太網(wǎng)線纜兩端的模塊化插入組件，通常使用透明、白色、黑色或灰色塑料制作而成，不過也會使用許多其它的顏色和材料；另一種是接頭，其可用于讓RJ-45插頭插入插槽，它們通常嵌入在需要連接的設備主體或墻上，RJ-45插腳引線的分配對于建立電氣連接十分重要，行業(yè)標準是8個引線插腳和8個觸點，但為了方便建模，我們在仿真中只使用4個引線插腳。
這里概述了本研究中的LS-DYNA設置情況，從開源網(wǎng)站獲得的幾何結構將用于有限元仿真，以及在SpaceClaim中建模然后導出機械模型的k文件，使用LS-RUN提交LS-DYNA作業(yè)，接著用LS-PrePost和Ansys Sound進行后處理。
模型準備。連接器組件內(nèi)的所有幾何體都是實體幾何結構，因此這里使用實體單元，連接器最重要的組件是接頭和插頭，它們使用四面體單元進行建模，并在聲學分析中用作邊界單元，接頭和插頭的插入針均使用六面體單元進行建模，目的是模擬準確的接觸行為，接觸對仿真結果會有影響。
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正如前文所述，這兩種插入針都使用六面體單元以準確地捕獲它們之間的接觸，這是因為它能夠影響連接器的觸覺反饋和聲學反饋，為方便建模，對所有接觸使用自動單面接觸卡片*Contact_automatic_general，摩擦系數(shù)設為0.1，仿真過程中設置的載荷條件如下：
最后，講一下邊界條件，接頭六個自由度全約束，對插頭的X方向和Y方向進行約束。
聲學分析設置，聲學分析可使用LS-DYNA中提供的*FREQUENCY_DOMAIN_ACOUSTIC_BEM卡片進行設置，有助于將瞬態(tài)結構分析與聲學分析耦合以求解聲振耦合問題。這個方法先求解瞬態(tài)結構分析，然后保存結構分析中獲得的速度，并將其用作聲學分析中的邊界條件。最后需要注意的是邊界單元上的壓力會通過求解輸入方程獲得，根據(jù)這個輸入，可以計算出無網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)任一點的壓力-時間歷程。使用邊界元法的主要優(yōu)勢是成本低效率高，這是因為與其它方法相比，它使用的是邊界單元和無網(wǎng)格區(qū)域，為了設置聲學分析所需的參數(shù)包括流體密度，在本例中是以空氣介質(zhì)的聲速，還需要知道最小頻率，最大頻率和參考壓力，另外有限元的邊界單元和聲場點也很重要。在本文的例子中，插頭表面單元和接頭表面單元都作為邊界元單元，同時把靠近連接器幾何結構的節(jié)點分配為場點或觀察點。
分析設置，本文案例需計算四個不同場景下的分析，場景一總用時0.25秒，裝配時間為0.15秒，使用的是塑性材料模型。場景二總用時0.35秒，裝配時間為0.25秒，使用的是塑性材料模型。場景三總用時0.35秒，裝配時間為0.25秒，使用的是彈性材料模型。場景四總用時1秒，裝配時間為0.25秒，使用的是塑性材料模型。整個設置的目的是了解裝配時間聲學特征，也就是聲壓級和使用的材料模型之間的關系。
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結構分析結果，視頻僅展示四個仿真中的其中一個結果。仿真結果來自于使用塑性材料模型的接頭和插頭連接器，其總用時為0.25秒，連接器裝配時間為0.15秒。從左下方的能量比圖中可以看到，能量比的值恰好接近1，這可以證明仿真基本實現(xiàn)了能量平衡。右上方是接頭針的應力應變和位移圖，它承受了插頭的沖擊。右下方則是其接觸力圖，總計大約10N。
上圖展示使用塑性材料模型插頭的應力和應變。正如預期，可以觀察到裝配體鎖扣從彎曲到啟動卡扣過程中，它承受了大約58Mpa的應力，可以看到其有效應變?yōu)?2%，部分應變在卡扣解除后可以恢復。右上角的圖顯示了有效應變的時間歷程圖。
該圖表可幫助我們比較完全裝配狀態(tài)下，裝配體鎖扣對接頭的反作用力。值得注意的是塑性降低了反作用力，裝配時間對產(chǎn)生的反作用力沒有影響。
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聲學響應，案例中提取了不同仿真模型上的場點的聲壓級，在圖中通過比較整個頻域下的值可以發(fā)現(xiàn)，裝配時間為0.1秒的仿真產(chǎn)生了更高的聲壓級，在增加裝配時間后，聲壓級下降，這樣可以與實驗結果或參考值相匹配。我們試圖在運行的其中一個仿真中創(chuàng)建聲音，視頻中可以聽到生成的聲音文件，以便對這種方法的有效性有所了解。左邊為YouTube上獲得的參考聲音文件，右側(cè)為其中一個仿真中獲得的聲音，雖然聲音好像不太相同，但聲壓級良好吻合，還需要進行進一步研究來微調(diào)仿真的聲音。
上圖顯示了聲壓對比情況，壓強單位為pa，時間單位為s，顯然在使用彈性材料模型的仿真場景3里面振動，要顯著大于其它三種使用塑性材料模型的仿真場景。這里可以看到激勵中的差別。
上圖顯示了頻率 - 時間，頻率單位為赫茲，時間單位為秒，這有助于了解裝配過程中每一步的頻率分布情況，還表明Ansys Sound能輕松地對這些輸出進行后處理，并對我們從如此復雜的仿真中獲得的結果進行深入研究。
本文案例中可以得出，裝配時間與聲壓級成反比，帶有硬化的塑性材料本構會抑制聲學響應。此外還可以對兩個可變形體的振動聲學特性，以及接觸進行了仿真并開展了詳細研究，今后想要使用具有熱塑性的高級材料模型來研究材料對聲學的影響，以尋找能夠使仿真聲音更加真實的方法。將通過探索電和熱等其它多物理場場景來增加問題的復雜性，以擴大這一仿真的使用范圍。最后但同樣值得注意的是，LS-DYNA可提供統(tǒng)一的求解器環(huán)境能夠輕松處理此類復雜的多物理場問題。
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