ANSYS结构声振耦合解决方案

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1、ANSYS结构-声振耦合技术 解决方案安世亚太成都办事处 马武福 2007-6-21主题内容l产品设计/研制中关注的噪声问题lANSYS软件的结构-声噪耦合解决方案l典型应用实例l小结技 术 主 题ANSYS声-结构耦合ANSYS声学模型ANSYS声学流体单元ANSYS声学超弹材料ANSYS声学粘弹材料ANSYS结构接触技术ANSYS结构动力学ANSYS/LS-DYNA声学 声学应用举例车厢内噪 声强度分 布发动机汽缸 盖振动噪声ANSYS声-结构耦合（ANSYS 多物理场耦合）q声学分析能力单/多介质声传播特性结构振动声波声压激励结构振动声振耦合输出声压力分布与梯度声压级声波散射、衍射、传输

2、、辐射、衰减等参数结构动态变形应力等q结构声学材料非线性材料超弹材料粘弹材料接触多体接触自接触动力学自由振动模态分析瞬态振动谐振动随机振动声波在管内震荡主动声纳探测声波从空气传入水中主动声纳探测ANSYS声学模型q模型类型2D平面模型： Fluid29/Fluid1292D轴对称模型： Fluid29/Fluid1293D模型： Fluid30/Fluid130q模型组成内部声学流体： Fluid29/30附着层声学流体： Fluid29/30无限边界域声学流体： Fluid129/130结构：结构单元FSI 流构耦合界面二维流体-结构模型ANSYS声学模型q 二维结构模型 模型类型平面模型轴

3、对称模型 单元类型PLANE42单元PLANE82单元PLANE182单元PLANE183单元q 三维结构模型SOLID45单元SOLID95单元SOLID185单元SOLID186单元ANSYS声学模型qFSI流固界面结构单元与流体单元接触作用表面定义流体压力与结构作用界面主动声纳性能仿真 （中间为中空刚性球）ANSYS声学模型q声学流体材料 流体密度 流体中声速 边界声吸收系数q结构材料弹性材料超弹材料粘弹材料弹塑性材料其他材料se.e .e 0Fu拉伸压缩超弹特性粘弹特性ANSYS声学流体单元qFluid29/30单元声波传播和水下结构动力学 界面上吸收材料声波衰减稳态、模态、谐波和瞬态

4、声学(与结构耦合)分析自由度设置设置选项 K2=0：内部流体仅具有流体 压力自由度（PRES）设置选项 K2=1：附着层流体 流体具有结构 (UX/UY/UZ)和流体压力 (PRES)qFluid129/130单元模拟FLUID29/30模型 边界外的无限流体域吸收效 果二级吸收边界条件，传 出的压力波到达模型边界时 将被“吸收”，只有微量反射 回流体域 无限域液体中声波 -结构振动声学超弹材料q 材料性能 能承受大弹性可 恢复变形，任何地 方都可达100- 700% 几乎不可压缩 应力-应变关系 是高度非线性的 拉伸材料先软化 再硬化，而压缩时 材料急剧硬化Fu拉伸压缩声学超弹材料q 18x

5、单元超弹性模型多项式模型 应变可达300% Neo-Hookean模型 一个简单的超弹模型 单轴拉伸应变可达3040% 剪切应变可达8090% Mooney-Rivlin模型 两项形式拉伸应变可达90100%； 更多项形式可以捕捉工程应力-应变曲线的拐点 59项形式应变可达100200% Arruda-Boyce模型8链模型 基于统计的模型，需要的实验数据很少 应变可达300% Ogden模型 基于主延伸率算法，更精确，但计算相对费时 应变可达700%Solid185+Neo-Hookean根据应变大小和 材料数据选择适 当的超弹模型声学超弹材料q HYPER5x单元超弹性模型 包括 HYPE

6、R56, 58, 74 和 158 仅用于模拟几乎不可压缩 Mooney-Rivlin 材料q HYPER8x HYPER84 和 86 模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料声学粘弹材料q 同时具有弹性固体和粘性液体相结合的行为特性q 率相关行为材料性能与时间和温度都有关q粘弹性响应可看作由弹性和粘性部分组成弹性部分是可恢复的, 且是瞬时的粘性部分是不可恢复的, 且在整个时间范围内发生q 用于模拟玻璃和聚合物等声学粘弹材料q ANSYS提供广义 Maxwell 粘弹模型由k 个并联的弹簧和缓冲筒数组成是通用模型, Maxwell, Kelvin-Voigt 和 SLM是其中的特殊情况qANSY

7、S提供粘弹单元类型VISCO88 (2D) 和 VISCO89 (3D)是高阶单元(能使用退化形式)VISCO88/89 单元有应力-刚化能力G0G1G1Gkh1h2hk. . .结构接触技术q接触问题：点-点、点-面和面-面接触多体接触或自接触静水压和声压作用下粘弹或 超弹材料变形内孔接触作用q接触行为：摩擦特性：静摩擦和滑动摩 擦传热特性：导热、对流和辐 射行为特性：标准分离、初始 绑定、接触绑定、绑定滑移和无 限大摩擦结构动力学q模态分析自用振动的结构自振 频率及振型q谐响应分析在周期载荷作用下的 结构响应特性q瞬态分析在任意岁时间变化载 荷作用下的动态响应特 性q谱分析在随机载荷作用下

8、的动力响应特性 利用声-固耦合场的瞬态动力学 功能仿真瞬态脉冲声波的传播 与粘弹吸声性能研究ANSYS/LS-DYNA 流体及流固耦合分析q其流体及流固耦合分析包括 层流与湍流、可压与不可压缩 流及流体结构的动态耦合分 析，完整解决声学分析的要求q其显示求解方式具有隐式求 解所不可比拟的优点，突出优 势是对流场高频响应高效准确 的仿真，是高频声学分析所需 要的q其计算速度快，适合于大型 复杂工程规模问题的求解声波从空气传入水中主动声纳探测ANSYS声-振耦合解决方案qANSYS提供有限元具有模型适应性强，能够创建任意声学结 构体qANSYS提供有丰富完整的金属、超弹和粘弹材料模型，建立 钢板、

9、超弹类橡胶或粘弹类聚合物材料，准确描述材料对声 压激励响应特性和自身振动吸能耗能特性qANSYS提供有形式多样的接触模型，方便模拟超大变形过程 中产生的自接触现象，准确捕捉接触过程中结构总体刚度和 响应行为的变化qANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等 等qANSYS提供声传播和声-振耦合分析功能，完整覆盖低高频 声振范围，全面解决多介质、多界面的声传播和结构振动耦 合稳态、瞬态和谐振超弹和粘弹计算方案粘弹模型 超弹模型粘弹示例1：垂直入射q如右图，取消声瓦一圆柱部 分进行分析，带有一个孔腔 ，包含三个部分：海水、消 声瓦和钢板q模型： 海水密度、声速 消声瓦采用广义 Max

10、well粘弹模型 钢板为弹性模型 q 声压脉冲激励形式：海水单孔消声瓦时间压 力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.1s压力传播波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.1s压力-时间曲线压缩变形-时间曲线粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.001s压力传播波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.001s压力-时间曲线压缩变形-时间曲线粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.00001s压力传播波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：3

11、000Pa 脉冲压力时间：0.00001s压力-时间曲线压缩变形-时间曲线q对于不同频率激励，粘弹材料的响应会发生变化；q激励频率越高，粘弹材料的响应滞后就越多；同时， 粘弹材料的响应就越小；q由于粘弹材料良好的吸能减振特性，声压并不发生明 显的振动现象；q从分析发现，粘弹材料具有很好吸收振动能量的特性 ，同时具有随频率变化特性，能够在很大频率范围上 达到降低振动响应和压力波动。粘弹示例1：垂直入射结论超弹示例2：垂直入射q模型与粘弹一致，仅仅将消声瓦改为超弹材料模型 。q由于用户提供没有材料数据，故借用教材数据，与 前粘弹性能不一致，但是分析目的主要比较粘弹和 超弹材料响应特征和吸声性能。超

12、弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.001s压力传播超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.001s声压-时间曲线超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.00001s压力传播实际状态压力传播慢放超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.00001s声压-时间曲线q对于不同频率激励，超弹材料的响应回是一致的；超 弹性材料的变形是完全可以恢复的弹性，对声压冲击 的响应频率完全与激励频率一致，没有响应滞后现象 ； q超弹材料也具有一定的能量耗散，但相对粘弹要低很 多； q从分析发现，粘弹材料具有比超弹材料更好的消

13、声减 振性能。超弹示例2：垂直入射结论超弹示例3：声振耦合减振降噪设计有无挡板的效果比较消声器声压速度超弹示例3：声与声探测（声纳）空气内为钢球（中空）1.0M测点压力-时间 曲线超弹示例4：裂缝对井中斯通利波的反射q计算者：杜光升/石油大学（东营），王耀俊/ 南京大学声学所q计算目的：计算Stoneley波在有水平、垂直裂 缝的井中的反射，并与实测结果进行比较，为 测井研究提供帮助超弹示例4：水平裂缝计算模型q水平裂缝宽度3mmq点声源中心频率20KHZq单元总数：3800点声源水平裂缝声源的时域波形及频谱超弹示例4：水平裂缝计算结果与实测结果计算结果实测结果超弹示例4：垂直裂缝计算结果与实测结果在接收的全波列波形中，可以观察到来自垂直裂缝的反射纵波 和折射纵波。当裂缝到井轴的距离为15cm时，实验测得反射纵 波的视速度为9.8 km/s，而计算得其视速度为9.7km/s，进一 步的计算结果表明,垂直裂缝距井轴越近，反射纵波的视速度越大裂缝到井轴15cm 计算结果裂缝到井轴15cm 实测结果声振耦合技术解决方案THANKS