ANSYS结构声振耦合解决方案.ppt

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,产品设计/研制中关注的噪声问题ANSYS软件的结构-声噪耦合解决方案典型应用实例小结,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）,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、辐射、衰减等参数结构动态变形应力等,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,模型类型2D平面模型：Fluid29/Fluid1292D轴对称模型：Fluid29/Fluid1293D模型：Fluid30/Fluid130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,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,三维结构模型SOLID45单元SOLID95单元SOLID185单元SOLID186单元,ANSYS声学模型,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,声学流体材料流体密度流体中声速边界声吸收系数,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,超弹特性,粘弹特性,ANSYS声学流体单元,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),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,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,声学超弹材料,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,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缩Mooney-Rivlin材料HYPER8xHYPER84和86模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料,声学粘弹材料,同时具有弹性固体和粘性液体相结合的行为特性率相关行为材料性能与时间和温度都有关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用于模拟玻璃和聚合物等,声学粘弹材料,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,结构接触技术,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,模态分析自用振动的结构自振频率及振型谐响应分析在周期载荷作用下的结构响应特性瞬态分析在任意岁时间变化载荷作用下的动态响应特性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,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,ANSYS提供有限元具有模型适应性强，能够创建任意声学结构体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ANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等等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,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、消声瓦和钢板模型：海水密度、声速消声瓦采用广义Maxwell粘弹模型钢板为弹性模型声压脉冲激励形式：,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：3000Pa脉冲压力时间：0.00001s,压力-时间曲线,压缩变形-时间曲线,对于不同频率激励，粘弹材料的响应会发生变化；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；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；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,模型与粘弹一致，仅仅将消声瓦改为超弹材料模型。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：20Pa脉冲压力时间：0.00001s,声压-时间曲线,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；超弹材料也具有一定的能量耗散，但相对粘弹要低很多；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,计算者：杜光升/石油大学（东营），王耀俊/南京大学声学所计算目的：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,水平裂缝宽度3mm点声源中心频率20KHZ单元总数：3800,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9.8km/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,