ansys結(jié)構(gòu)聲振耦合解決方案

1、ANSYS結(jié)構(gòu)-聲振耦合技術(shù)解決方案,安世亞太成都辦事處 馬武福2007-6-21,主題內(nèi)容,產(chǎn)品設(shè)計/研制中關(guān)注的噪聲問題ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)-聲噪耦合解決方案典型應(yīng)用實例小結(jié),技 術(shù) 主 題,ANSYS聲-結(jié)構(gòu)耦合ANSYS聲學(xué)模型ANSYS聲學(xué)流體單元ANSYS聲學(xué)超彈材料ANSYS聲學(xué)粘彈材料ANSYS結(jié)構(gòu)接觸技術(shù)ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)ANSYS/LS-DYNA聲學(xué)聲學(xué)應(yīng)用舉例,車廂內(nèi)噪聲強度分布,

2、發(fā)動機汽缸蓋振動噪聲,ANSYS聲-結(jié)構(gòu)耦合（ANSYS 多物理場耦合）,聲學(xué)分析能力單/多介質(zhì)聲傳播特性結(jié)構(gòu)振動聲波聲壓激勵結(jié)構(gòu)振動聲振耦合輸出聲壓力分布與梯度聲壓級聲波散射、衍射、傳輸、輻射、衰減等參數(shù)結(jié)構(gòu)動態(tài)變形應(yīng)力等,結(jié)構(gòu)聲學(xué)材料—非線性材料超彈材料粘彈材料接觸多體接觸自接觸動力學(xué)自由振動—模態(tài)分析瞬態(tài)振動諧振動隨機振動,聲波在管內(nèi)震蕩,主動聲納探測,聲波從空氣傳入水中,主動聲納探測,

3、ANSYS聲學(xué)模型,模型類型2D平面模型： Fluid29/Fluid1292D軸對稱模型： Fluid29/Fluid1293D模型： Fluid30/Fluid130模型組成內(nèi)部聲學(xué)流體： Fluid29/30附著層聲學(xué)流體： Fluid29/30無限邊界域聲學(xué)流體： Fluid129/130結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)單元FSI —流構(gòu)耦合界面,二維流體-結(jié)構(gòu)模型,ANSYS聲學(xué)模型,二維結(jié)構(gòu)模型模型類型平面模型軸對稱模型

4、單元類型PLANE42單元PLANE82單元PLANE182單元PLANE183單元,三維結(jié)構(gòu)模型SOLID45單元SOLID95單元SOLID185單元SOLID186單元,ANSYS聲學(xué)模型,FSI—流固界面結(jié)構(gòu)單元與流體單元接觸作用表面定義流體壓力與結(jié)構(gòu)作用界面,主動聲納性能仿真（中間為中空剛性球）,ANSYS聲學(xué)模型,聲學(xué)流體材料流體密度流體中聲速邊界聲吸收系數(shù),結(jié)構(gòu)材料彈性材料超彈材料粘彈材

5、料彈塑性材料其他材料,超彈特性,粘彈特性,ANSYS聲學(xué)流體單元,Fluid29/30單元聲波傳播和水下結(jié)構(gòu)動力學(xué) 界面上吸收材料聲波衰減穩(wěn)態(tài)、模態(tài)、諧波和瞬態(tài)聲學(xué)(與結(jié)構(gòu)耦合)分析自由度設(shè)置設(shè)置選項 K2=0：內(nèi)部流體僅具有流體壓力自由度（PRES）設(shè)置選項 K2=1：附著層流體流體具有結(jié)構(gòu)(UX/UY/UZ)和流體壓力(PRES),Fluid129/130單元模擬FLUID29/30模型邊界外的無限流體域吸

6、收效果二級吸收邊界條件，傳出的壓力波到達模型邊界時將被“吸收”，只有微量反射回流體域,,無限域液體中聲波-結(jié)構(gòu)振動,聲學(xué)超彈材料,材料性能能承受大彈性可恢復(fù)變形，任何地方都可達100-700%幾乎不可壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是高度非線性的拉伸材料先軟化再硬化，而壓縮時材料急劇硬化,聲學(xué)超彈材料,18x單元超彈性模型多項式模型應(yīng)變可達300%Neo-Hookean模型一個簡單的超彈模型單軸拉伸應(yīng)變可達30~40%剪切應(yīng)變可

7、達80~90%Mooney-Rivlin模型兩項形式拉伸應(yīng)變可達90~100%；更多項形式可以捕捉工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點5~9項形式應(yīng)變可達100~200%Arruda-Boyce模型——8鏈模型 基于統(tǒng)計的模型，需要的實驗數(shù)據(jù)很少應(yīng)變可達300%Ogden模型基于主延伸率算法，更精確，但計算相對費時應(yīng)變可達700%,Solid185+Neo-Hookean,根據(jù)應(yīng)變大小和材料數(shù)據(jù)選擇適當(dāng)?shù)某瑥椖Ｐ?聲學(xué)超彈材料,

8、HYPER5x單元超彈性模型包括 HYPER56, 58, 74 和 158僅用于模擬幾乎不可壓縮 Mooney-Rivlin 材料HYPER8x HYPER84 和 86模擬Blatz-Ko可壓縮泡沫類材料,聲學(xué)粘彈材料,同時具有彈性固體和粘性液體相結(jié)合的行為特性率相關(guān)行為材料性能與時間和溫度都有關(guān)粘彈性響應(yīng)可看作由彈性和粘性部分組成彈性部分是可恢復(fù)的, 且是瞬時的粘性部分是不可恢復(fù)的, 且在整個時間范圍內(nèi)發(fā)生

9、用于模擬玻璃和聚合物等,聲學(xué)粘彈材料,ANSYS提供廣義 Maxwell 粘彈模型由k 個并聯(lián)的彈簧和緩沖筒數(shù)組成是通用模型, Maxwell, Kelvin-Voigt 和 SLM是其中的特殊情況ANSYS提供粘彈單元類型VISCO88 (2D) 和 VISCO89 (3D)是高階單元(能使用退化形式)VISCO88/89 單元有應(yīng)力-剛化能力,結(jié)構(gòu)接觸技術(shù),接觸問題：點-點、點-面和面-面接觸多體接觸或自接觸

10、靜水壓和聲壓作用下粘彈或超彈材料變形內(nèi)孔接觸作用接觸行為：摩擦特性：靜摩擦和滑動摩擦傳熱特性：導(dǎo)熱、對流和輻射行為特性：標(biāo)準分離、初始綁定、接觸綁定、綁定滑移和無限大摩擦,結(jié)構(gòu)動力學(xué),模態(tài)分析自用振動的結(jié)構(gòu)自振頻率及振型諧響應(yīng)分析在周期載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性瞬態(tài)分析在任意歲時間變化載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)特性譜分析在隨機載荷作用下的動力響應(yīng)特性,利用聲-固耦合場的瞬態(tài)動力學(xué)功能仿真瞬態(tài)脈沖聲波的傳播與粘彈吸聲性能研

11、究,ANSYS/LS-DYNA流體及流—固耦合分析,其流體及流—固耦合分析包括層流與湍流、可壓與不可壓縮流及流體—結(jié)構(gòu)的動態(tài)耦合分析，完整解決聲學(xué)分析的要求其顯示求解方式具有隱式求解所不可比擬的優(yōu)點，突出優(yōu)勢是對流場高頻響應(yīng)高效準確的仿真，是高頻聲學(xué)分析所需要的其計算速度快，適合于大型復(fù)雜工程規(guī)模問題的求解,聲波從空氣傳入水中,主動聲納探測,ANSYS聲-振耦合解決方案,ANSYS提供有限元具有模型適應(yīng)性強，能夠創(chuàng)建任意聲學(xué)結(jié)構(gòu)體

12、ANSYS提供有豐富完整的金屬、超彈和粘彈材料模型，建立鋼板、超彈類橡膠或粘彈類聚合物材料，準確描述材料對聲壓激勵響應(yīng)特性和自身振動吸能耗能特性ANSYS提供有形式多樣的接觸模型，方便模擬超大變形過程中產(chǎn)生的自接觸現(xiàn)象，準確捕捉接觸過程中結(jié)構(gòu)總體剛度和響應(yīng)行為的變化ANSYS能夠定義任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等等ANSYS提供聲傳播和聲-振耦合分析功能，完整覆蓋低高頻聲振范圍，全面解決多介質(zhì)、多界面的聲傳播和結(jié)構(gòu)振動耦

13、合穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)和諧振,超彈和粘彈計算方案,粘彈模型超彈模型,粘彈示例1：垂直入射,如右圖，取消聲瓦一圓柱部分進行分析，帶有一個孔腔，包含三個部分：海水、消聲瓦和鋼板模型：海水密度、聲速消聲瓦采用廣義Maxwell粘彈模型鋼板為彈性模型聲壓脈沖激勵形式：,,,海水,單孔消聲瓦,,,,,時間,壓力,粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.1s,壓力傳播,波動壓應(yīng)力,粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓

14、力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.1s,壓力-時間曲線,壓縮變形-時間曲線,粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.001s,壓力傳播,波動壓應(yīng)力,粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.001s,壓力-時間曲線,壓縮變形-時間曲線,粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.00001s,壓力傳播,波動壓應(yīng)力,

15、粘彈示例1：垂直入射,脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：0.00001s,壓力-時間曲線,壓縮變形-時間曲線,對于不同頻率激勵，粘彈材料的響應(yīng)會發(fā)生變化；激勵頻率越高，粘彈材料的響應(yīng)滯后就越多；同時，粘彈材料的響應(yīng)就越?。挥捎谡硰棽牧狭己玫奈軠p振特性，聲壓并不發(fā)生明顯的振動現(xiàn)象；從分析發(fā)現(xiàn)，粘彈材料具有很好吸收振動能量的特性，同時具有隨頻率變化特性，能夠在很大頻率范圍上達到降低振動響應(yīng)和壓力波動。,粘彈示例1：

16、垂直入射結(jié)論,超彈示例2：垂直入射,模型與粘彈一致，僅僅將消聲瓦改為超彈材料模型。由于用戶提供沒有材料數(shù)據(jù)，故借用教材數(shù)據(jù)，與前粘彈性能不一致，但是分析目的主要比較粘彈和超彈材料響應(yīng)特征和吸聲性能。,超彈示例2：垂直入射,脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：0.001s,壓力傳播,超彈示例2：垂直入射,脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：0.001s,聲壓-時間曲線,超彈示例2：垂直入射,脈沖壓力峰值：20Pa

17、 脈沖壓力時間：0.00001s,壓力傳播—實際狀態(tài),壓力傳播—慢放,超彈示例2：垂直入射,脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：0.00001s,聲壓-時間曲線,對于不同頻率激勵，超彈材料的響應(yīng)回是一致的；超彈性材料的變形是完全可以恢復(fù)的彈性，對聲壓沖擊的響應(yīng)頻率完全與激勵頻率一致，沒有響應(yīng)滯后現(xiàn)象；超彈材料也具有一定的能量耗散，但相對粘彈要低很多；從分析發(fā)現(xiàn)，粘彈材料具有比超彈材料更好的消聲減振性能。,超彈示

18、例2：垂直入射結(jié)論,超彈示例3：聲振耦合—減振降噪設(shè)計,有無擋板的效果比較,,消聲器,聲壓,速度,超彈示例3：聲與聲探測（聲納）,空氣,內(nèi)為鋼球（中空）,,1.0M,測點壓力-時間曲線,超彈示例4：裂縫對井中斯通利波的反射,計算者：杜光升/石油大學(xué)（東營），王耀俊/南京大學(xué)聲學(xué)所計算目的：計算Stoneley波在有水平、垂直裂縫的井中的反射，并與實測結(jié)果進行比較，為測井研究提供幫助,超彈示例4：水平裂縫計算模型,水平裂縫寬度3mm點

19、聲源中心頻率20KHZ單元總數(shù)：3800,聲源的時域波形及頻譜,超彈示例4：水平裂縫計算結(jié)果與實測結(jié)果,計算結(jié)果,實測結(jié)果,超彈示例4：垂直裂縫計算結(jié)果與實測結(jié)果,在接收的全波列波形中，可以觀察到來自垂直裂縫的反射縱波和折射縱波。當(dāng)裂縫到井軸的距離為15cm時，實驗測得反射縱波的視速度為9.8 km/s，而計算得其視速度為9.7km/s，進一步的計算結(jié)果表明,垂直裂縫距井軸越近，反射縱波的視速度越大,裂縫到井軸15cm計算結(jié)果,裂縫