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

2、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、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/Fluid129 2D轴对称模型： Fluid29/Fluid129 3D模型： Fluid30/Fluid130q模型组成内部声学流体： Fluid29/30附着层声学流体： Fl

3、uid29/30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q FSI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

4、其他材料s e.e .e 0F u拉 伸压 缩超 弹 特 性 粘 弹 特 性 ANSYS声学流体单元q Fluid29/30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) q Fluid129/130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

5、 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 F u拉 伸压 缩 声学超弹材料q 18x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

6、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-H ookean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 HYPER56, 58, 74 和 158 仅 用 于 模 拟 几 乎 不 可 压

7、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 , Maxw

8、ell, Kelvin-Voigt 和 SLM是 其 中 的 特 殊 情 况q ANSYS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 G0G1G1Gk h1h2hk. . . 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 ：

9、 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 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

10、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q ANSYS提 供 有 限 元 具 有 模 型 适 应 性 强 ， 能 够

11、 创 建 任 意 声 学 结构 体q ANSYS提 供 有 丰 富 完 整 的 金 属 、 超 弹 和 粘 弹 材 料 模 型 ， 建 立钢 板 、 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q ANSYS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q ANSYS能 够 定 义 任 意 球 面 波 、 柱

12、面 波 和 任 意 方 向 的 平 面 波 等等 q ANSYS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 Maxwe

13、ll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

14、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 ： 3000Pa 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

15、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 ：

16、 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

17、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 y x0 a b c e2m2e 1m1 e2m2 de点 声 源 水 平 裂 缝 0 10 20 30 40 500123 4 Frequency(kHz)Amplitude 0 100 200 300 400-150-100-50050 100150 Time(s)Amplitude 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 0 200 400

18、600 800 1000 Fracture Location Hornby experim ent(04/23/99) width of fractrue 3mm 5040 3020 10 Reflected arrivalDirect arrival Source receiver distance(cm) Time(s) Direct StoneleyArrival Reflected Stoneley ArrivalEnd ofModel Arrival FractureLocationScan Distan ce (mm) Time (s)计 算 结 果 实 测 结 果 超弹示例4：垂

19、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 0 50 100 150 200 250 250210170 130 Zhou Jihongs exper iment outer raius=15 cm PPSource re ceiver distance(mm ) Time(s) 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