スピーカー箱の固有値解析をしてみたい

使えるソフトが・・・


中々無いんです
フリーで使えて、固有値解析が出来るソフトが

ホームページ[フリーCAE解析ソフト開発研究所みたいな]
で開発されている”FEM_BLOCK”:←ホームページへ

使っているのは”Ver1.11”

今は、これを試している / 評価中と、偉そうな書き方だが、下の 注)にある様に、素人目線での評価である



注):解析の専門家ではないので

解析条件・モデルの設定が不適切で出た問題・不具合と、このプログラムの制約による問題との
切り分けが上手く出来ないと思われる

結果に対する疑問は、先ずは当方のスキルを疑って下さい



入力はまるでNastranのバルクデータを作るような???
素人には最初が一寸つらいが、ツボを押さえれば書けそうなので、手順書モドキを作るか? ←期待しないで!!

input data
test

このソフト、固有値解析に荷重・拘束が必要?
←プログラムの開発者様からフィードバックを頂きました
boundary_condition
%
apply_force
%
で良いそうです

収束の状態は、繰り返し計算中にコマンドプロンプトに表示される
n_freq=周波数値,[前回に対する変化率] ←この変化率を見ていれば収束の状態が判る

との事



出来る範囲だが、”精度検証のまねごと”をしてみた

精度解析へのリンク←精度検証のまねごとへ




スピーカーボックス:Model_Nの固有値解析

簡易モデルを作成

Model_Nに近い形、上下の仕切りはあるが、中間補強は無し

繰り返し計算を100回行っているが、収束状態も一寸心配
要素が粗いか?

これ以上要素を細かくすると、計算時間も問題



注)これから幾つかの結果は、材料データが鉄のままで計算 あとでMDFに変える

1.15kHzで箱に曲げモードが出る(鉄の箱で)

これで中間の補強を入れて固有値が上がるか?



まあ、相対比較が出来れば方向性の確認は出来るで、早速比較してみた box_1 box_1_M box_2

計算結果、板の変形が出る最初のモード 7次 6次までは剛体モード  固有値は 箱内部補強で固有値は上がるが、この振動モードではフロントバッフルの強度支配か?

フロントバッフル板厚を2倍 60个箸靴萄瞳彁
60次まで計算するが、固有値は変わらず
box_2_2 box_2_3

変化は大きくないが固有値が上がるので、上側の内部補強はフロントバッフル側/上下同じ位置へずらした方が良さそう

何れも変形を抑える方向へ補強・補強位置を調整すれば固有値は上昇する結果が得られている





このソフト”FEM_BLOCK”は使える

”箱の弱点を見つける / 補強の方向を確認する”目的には、十分に活用できる

なぜ、使えるかと思うのかの補足を・・・・・ 計算の妥当性を追いかけると、合わせ込みが必要となる

そうなると、解析に価値が無いか言えば、そうでもない
変化の方向が見られれば、十分に実用になる

普通、構造の破壊を問題にはしない
応力集中を見たいなら、その見たい部分に特化してモデルを作ればよい
今回の私の目的である、補強の方向性確認なら変化/相対評価で良く、その観点では凄く有用

この観点で、十分に使えると思っている





ここまでは材料データが鉄 比重:7.8 ヤング率:2.06×10^11 ポアソン比:0.3で計算した結果

ここからは、木材を想定して計算してみたい

これが計算に使ったインプットデータ

MDFの材料データを調査 音響学会の論文集に ヤング率:2.5×10^10N/m2 ポアソン比:0.5(←この数値は不適切)と言うのが見つかった
入力はSIの単位系とのことなので、ヤング率は簡易的に2.5×10^9として
↑ 他の情報(MDFで3.6GPa/5GPa 樫で11GPaと言う数値もある)と比較すると、音響学会のヤング率は一桁間違っている可能性が高いので、この値を使用

比重は0.6として、入力データを直して再計算する 注)ポアソン比:0.49を使う
ポアソン比に関しても、概ね0.2〜0.3と言う資料もあり、0.25を使った方が良いか/ポアソン比0.5とは材料物性が逆の傾向にある

(2010年7月)現時点で最も妥当性の高そうなMDFの物性値は

MDFの物性値 / 比重:0.6  ヤング率:2.5E+009  ポアソン比:0.25


材料物性を変更して再計算

box_2_3

材料のヤング率が大幅に下がったので、固有値も大幅に低くなる

固有値の観点なら、MDFより合板の方がヤング率が高いので、若干有利か

この箱は800Hz?付近まで使うので、固有値の影響が少し出るか?

補強はもう一つ前の形状なので、更に固有値は下がる方向




え、あれ、まだモデルに間違いがありそう
上側の補強が天板につながっていない!!
モデル間違い

ついでに??箱構造(補強の位置関係)も間違っている

修正してみたが、合っているか?? まだまだ洗練されていないが、このデータで計算させている
Model_N相当インプットデータ Model_N補強見直しインプットデータ

モデル修正・ヤング率合わせ モデル修正 固有値向上





Model_Nは自由度が高いので、23i52 Isobarikで再計算
モデルの作成方法も順を追って記載
23i52_Isobarik 解析モデル フロントバッフル
ユニット取り付け穴
フロントバッフル
左右拡大
フロントバッフル
上下拡大
23I52_Isobarik 23I52_Isobarik解析モデル Front 左右 上下
↑モデルをクリックすると製作のページへ

このスピーカーを解析します
モデルを作りました
一日作業です
最初はユニット取り付け部分から
204亞僂190亰蝓“銚:24
この形状設定で要素分割数が決まる
要素分割数に合わせ、両側に各48侏彖任鯆媛

補強部材モデリングの都合で48弌僻銚24弌2枚分)
要素は板厚方向で2分割
上下に各72伉媛

下側はサブバッフルへの接続のため、72佗瑤琶割
解析モデル
自由度は21303

形状パラメーター
ユニット取り付け穴 ユニット取り付け穴/左右 ユニット取り付け穴/上下

4隅の欠落部分を作成 下へ150弍篦 天板の作成 フロントバッフル裏
天側/左右から補強
フロントバッフル裏
左右補強
四隅 下へ150弍篦 天板の作成 フロントバッフル裏補強/天1 フロントバッフル裏補強
四隅を作成 フロントバッフルを下側へ150弍篦 天をフロント部の補強を除き作成 フロントバッフルの裏側/天側左右補強 フロントバッフル裏/左右補強
四隅 下150 天板 フロントバッフル裏/天1/左右補強 フロントバッフル裏/左右補強

フロントバッフル下1裏/左右補強 フロントバッフル下2裏/左右補強 中仕切り/内部補強 内側バッフル/ユニット取り付け 側面の作成/上側
フロントバッフル下1裏補強 フロントバッフル下2裏補強 内部補強 内側バッフル 側面左右上側
フロントバッフル下1裏/左右補強 フロントバッフル下2裏/左右補強 Isobarikの裏ユニット取り付け/空間作成 内側バッフル 側面の作成/上側
フロントバッフル下1裏/左右補強 フロントバッフル下2裏/左右補強 内部補強 内側バッフル 側面左右上側

内部補強 側面下側/底面 背面
内部補強 側面下側/底面 背面
内部補強 側面/底面 背面
内部補強 側面下/底面 背面



23I52_Isobarikのインプットデータ

これまでのデータを一つのファイルとすると
23I52_Isobarik相当インプットデータ:←インプットデータへリンク

穴まわりのメッシュを細かくしたインプットデータ
23I52_Isobarik相当 穴周りメッシュ細分化:←インプットデータへリンク


23I52_Isobarik 固有値計算結果


6次までは剛体モードなので、その上の次数から

Mode7〜10

検証ベース
穴周りのメッシュ2段

穴周りの
メッシュ分割を改良

ポアソン比 :
0.49→0.25

Mode11〜14

検証ベース
穴周りのメッシュ2段

穴周り
メッシュ分割を改良

ポアソン比 :
0.49→0.25

Mode15〜16

検証ベース
穴周りのメッシュ2段

convergence

穴周り
メッシュ分割を改良

convergence

ポアソン比 :
0.49→0.25

計算誤差評価


穴周りのメッシュ条件を変えて計算してみた/ベースモデルに対して、ポアソン比 0.49→0.25を検討

上下で比べてみてください
ポイントは変形の形態と固有値の値です

今回の評価は固有値で、局部的な応力/応力集中の見極めを意図していないので、大勢に影響は無いようです

メッシュはむやみに細かくしない方が、計算資源が節約できて好ましいです

今回の寸法・材料物性のバランスでは、こんなイメージのメッシュサイズで良いのではないでしょうか



ちなにみ、現状は全て相対比較です

固有値の絶対精度は検証できていません

余力があれば、他のソフトとの精度比較をやってみたいと思います


と、書きつつモデルを良く見ると、現物と幾つかの違いが・・・

現物との違い・簡略化したところは

リアバッフルはネジ止めで固定されているとして、ここは剛体結合とする

リアバッフルは側面の板とは剛体結合としない

こんなところを盛り込むと、固有値はどの程度変化するか?







背面の蓋部有り無しを比較

リアバッフルの締め付け関係がフロントバッフルまで影響する


現物に近い形状はこれ フロントバッフルと天板の見直し フロントバッフル裏補強を伸ばす 中間補強要素分割見直し
23I52_Isobarik 補強見直し 補強見直し リア補強し/バッフル締め付け/下
モデルを見ると、補強の違い・背面の構造違いが解る バッフル分割見直し バッフル裏補強見直し 中間補強見直し

リア補強/蓋締め付け/補強
リア補強し/バッフル締め付け/補強
リアバッフル蓋締め付け/補強

23I52_Isobarik 背面蓋構造反映データ


背面蓋なしデータ
23I52_Isobarik相当 蓋なしインプットデータ:←インプットデータへリンク

背面蓋を含めたモデル
23I52_Isobarik相当 蓋付きインプットデータ:←インプットデータへリンク

Mode7〜10
背面蓋なし
背面蓋接続
Mode11〜14
背面蓋なし
背面蓋接続
Mode15〜16
背面蓋なし
背面蓋接続





これらの計算結果から言えること








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