ANSYS結(jié)構(gòu)聲振耦合解決的方案

1、ANSYS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)-聲振耦合技術(shù)聲振耦合技術(shù)解決方案解決方案主題內(nèi)容l產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)品設(shè)計/研制中關(guān)注的噪聲問題研制中關(guān)注的噪聲問題lANSYS軟件的結(jié)構(gòu)軟件的結(jié)構(gòu)-聲噪耦合解決方案聲噪耦合解決方案l典型應(yīng)用實例典型應(yīng)用實例l小結(jié)小結(jié)技技 術(shù)術(shù) 主主 題題ANSYS聲聲-結(jié)構(gòu)耦合結(jié)構(gòu)耦合ANSYS聲學(xué)模型聲學(xué)模型ANSYS聲學(xué)流體單元聲學(xué)流體單元ANSYS聲學(xué)超彈材料聲學(xué)超彈材料ANSYS聲學(xué)粘彈材料聲學(xué)粘彈材料ANSYS結(jié)構(gòu)接觸技術(shù)結(jié)構(gòu)接觸技術(shù)ANSYS結(jié)構(gòu)動力學(xué)結(jié)構(gòu)動力學(xué)ANSYS/LS-DYNA聲學(xué)聲學(xué)聲學(xué)應(yīng)用舉例聲學(xué)應(yīng)用舉例車廂內(nèi)噪車廂內(nèi)噪聲強度分聲強度分布布發(fā)動機汽缸發(fā)動機汽缸蓋振動噪聲

2、蓋振動噪聲ANSYS聲聲-結(jié)構(gòu)耦合結(jié)構(gòu)耦合（ANSYS 多物理場耦合）多物理場耦合）q聲學(xué)聲學(xué)q分析能力分析能力q單單/多介質(zhì)聲傳播特性多介質(zhì)聲傳播特性q結(jié)構(gòu)振動聲波結(jié)構(gòu)振動聲波q聲壓激勵結(jié)構(gòu)振動聲壓激勵結(jié)構(gòu)振動q聲振耦合聲振耦合q輸出輸出q聲壓力分布與梯度聲壓力分布與梯度q聲壓級聲壓級q聲波散射、衍射、傳輸、輻聲波散射、衍射、傳輸、輻射、衰減等參數(shù)射、衰減等參數(shù)q結(jié)構(gòu)動態(tài)變形應(yīng)力等結(jié)構(gòu)動態(tài)變形應(yīng)力等q構(gòu)造構(gòu)造q聲學(xué)材料聲學(xué)材料非線性材料非線性材料q超彈材料超彈材料q粘彈材料粘彈材料q接觸接觸q多體接觸多體接觸q自接觸自接觸q動力學(xué)動力學(xué)q自由振動自由振動模態(tài)分析模態(tài)分析q瞬態(tài)振動瞬態(tài)振動q諧

3、振動諧振動q隨機振動隨機振動聲波在管內(nèi)震蕩聲波在管內(nèi)震蕩主動聲納探測主動聲納探測聲波從空氣傳入水中聲波從空氣傳入水中主動聲納探測主動聲納探測ANSYS聲學(xué)模型聲學(xué)模型q模型類型模型類型q2D平面模型：平面模型： Fluid29/Fluid129q2D軸對稱模型：軸對稱模型： Fluid29/Fluid129q3D模型：模型： Fluid30/Fluid130q模型組成模型組成q內(nèi)部聲學(xué)流體：內(nèi)部聲學(xué)流體： Fluid29/30q附著層聲學(xué)流體：附著層聲學(xué)流體： Fluid29/30q無限邊界域聲學(xué)流體：無限邊界域聲學(xué)流體： Fluid129/130q構(gòu)造：結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造：結(jié)構(gòu)單元qFSI 流構(gòu)耦

4、合界面流構(gòu)耦合界面二維流體-結(jié)構(gòu)模型ANSYS聲學(xué)模型聲學(xué)模型q 二維結(jié)構(gòu)模型二維結(jié)構(gòu)模型q 模型類型模型類型q 平面模型平面模型q 軸對稱模型軸對稱模型q 單元類型單元類型q PLANE42單元單元q PLANE82單元單元q PLANE182單元單元q PLANE183單元單元q 三維結(jié)構(gòu)模型三維結(jié)構(gòu)模型q SOLID45單元單元q SOLID95單元單元q SOLID185單元單元q SOLID186單元單元ANSYS聲學(xué)模型聲學(xué)模型qFSI流固界面流固界面q結(jié)構(gòu)單元與流體單元接觸作用表面結(jié)構(gòu)單元與流體單元接觸作用表面q定義流體壓力與結(jié)構(gòu)作用界面定義流體壓力與結(jié)構(gòu)作用界面主動聲納性能仿真

5、主動聲納性能仿真（中間為中空剛性球）（中間為中空剛性球）ANSYS聲學(xué)模型聲學(xué)模型q聲學(xué)流體材料聲學(xué)流體材料q流體密度流體密度q流體中聲速流體中聲速q邊界聲吸收系數(shù)邊界聲吸收系數(shù)q結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料q彈性材料彈性材料q超彈材料超彈材料q粘彈材料粘彈材料q彈塑性材料彈塑性材料q其他材料其他材料s se e. .e e . .e e 0 0Fu拉伸拉伸壓縮壓縮超彈特性超彈特性粘彈特性粘彈特性ANSYS聲學(xué)流體單元聲學(xué)流體單元qFluid29/30單元單元q聲波傳播和水下結(jié)構(gòu)動力學(xué)聲波傳播和水下結(jié)構(gòu)動力學(xué) q界面上吸收材料聲波衰減界面上吸收材料聲波衰減q穩(wěn)態(tài)、模態(tài)、諧波和瞬態(tài)聲穩(wěn)態(tài)、模態(tài)、諧波和瞬態(tài)聲

6、學(xué)學(xué)(與結(jié)構(gòu)耦合與結(jié)構(gòu)耦合)分析分析q自由度設(shè)置自由度設(shè)置q設(shè)置選項設(shè)置選項 K2=0：q內(nèi)部流體內(nèi)部流體q僅具有流體壓力自由度僅具有流體壓力自由度PRES）q設(shè)置選項設(shè)置選項 K2=1：q附著層流體流體附著層流體流體q具有結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)(UX/UY/UZ)和流和流體壓力體壓力(PRES)qFluid129/130單元單元q模擬模擬FLUID29/30模型邊界模型邊界外的無限流體域吸收效果外的無限流體域吸收效果q二級吸收邊界條件，傳出的二級吸收邊界條件，傳出的壓力波到達模型邊界時將被壓力波到達模型邊界時將被“吸收吸收”，只有微量反射回，只有微量反射回流體域流體域 無限域液體中聲波無限域液體中聲波

7、-結(jié)構(gòu)振動結(jié)構(gòu)振動聲學(xué)超彈材料q 材料性能材料性能q 能承受大彈性可恢復(fù)能承受大彈性可恢復(fù)變形，任何地方都可變形，任何地方都可達達100-700%q 幾乎不可壓縮幾乎不可壓縮q 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是高應(yīng)變關(guān)系是高度非線性的度非線性的q 拉伸材料先軟化再硬拉伸材料先軟化再硬化，而壓縮時材料急化，而壓縮時材料急劇硬化劇硬化Fu拉伸拉伸壓縮壓縮聲學(xué)超彈材料q 18x單元超彈性模型單元超彈性模型q 多項式模型多項式模型q 應(yīng)變可達應(yīng)變可達300%q Neo-Hookean模型模型q 一個簡單的超彈模型一個簡單的超彈模型q 單軸拉伸應(yīng)變可達單軸拉伸應(yīng)變可達3040%q 剪切應(yīng)變可達剪切應(yīng)變可達8090%

8、q Mooney-Rivlin模型模型q 兩項形式拉伸應(yīng)變可達兩項形式拉伸應(yīng)變可達90100%；q 更多項形式可以捕捉工程應(yīng)力更多項形式可以捕捉工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線的拐點應(yīng)變曲線的拐點q 59項形式應(yīng)變可達項形式應(yīng)變可達100200%q Arruda-Boyce模型模型8鏈模型鏈模型 q 基于統(tǒng)計的模型，需要的實驗數(shù)據(jù)很少基于統(tǒng)計的模型，需要的實驗數(shù)據(jù)很少q 應(yīng)變可達應(yīng)變可達300%q Ogden模型模型q 基于主延伸率算法，更精確，但計算相對費時基于主延伸率算法，更精確，但計算相對費時q 應(yīng)變可達應(yīng)變可達700%Solid185+Neo-Hookean根據(jù)應(yīng)變大小和根據(jù)應(yīng)變大小和材料數(shù)據(jù)選擇適

9、材料數(shù)據(jù)選擇適當?shù)某瑥椖Ｐ彤數(shù)某瑥椖Ｐ吐晫W(xué)超彈材料q HYPER5x單元超彈性模型單元超彈性模型q 包括包括 HYPER56, 58, 74 和和 158q 僅用于模擬幾乎不可壓縮僅用于模擬幾乎不可壓縮 Mooney-Rivlin 資料資料q HYPER8x q HYPER84 和和 86q 模擬模擬Blatz-Ko可壓縮泡沫類材料可壓縮泡沫類材料聲學(xué)粘彈材料q 同時具有彈性固體和粘性液體相結(jié)合的行為特性同時具有彈性固體和粘性液體相結(jié)合的行為特性q 率相關(guān)行為材料性能與時間和溫度都有關(guān)率相關(guān)行為材料性能與時間和溫度都有關(guān)q 粘彈性響應(yīng)可看作由彈性和粘性部分組成粘彈性響應(yīng)可看作由彈性和粘性部分組

10、成q 彈性部分是可恢復(fù)的彈性部分是可恢復(fù)的, 且是瞬時的且是瞬時的q 粘性部分是不可恢復(fù)的粘性部分是不可恢復(fù)的, 且在整個時間范圍內(nèi)發(fā)生且在整個時間范圍內(nèi)發(fā)生q 用于模擬玻璃和聚合物等用于模擬玻璃和聚合物等聲學(xué)粘彈材料q ANSYS提供廣義提供廣義 Maxwell 粘彈模型粘彈模型q 由由k 個并聯(lián)的彈簧和緩沖筒數(shù)組成個并聯(lián)的彈簧和緩沖筒數(shù)組成q 是通用模型是通用模型, Maxwell, Kelvin-Voigt 和和 SLM是其中的特殊情況是其中的特殊情況q ANSYS提供粘彈單元類型提供粘彈單元類型q VISCO88 (2D) 和和 VISCO89 (3D)q 是高階單元是高階單元(能使用

11、退化形式能使用退化形式)q VISCO88/89 單元有應(yīng)力單元有應(yīng)力-剛化能力剛化能力G0G1G1Gkh1h2hk. . .結(jié)構(gòu)接觸技術(shù)q接觸問題：接觸問題：q點點-點、點點、點-面和面面和面-面接觸面接觸q多體接觸或自接觸多體接觸或自接觸q靜水壓和聲壓作用下粘彈或超彈靜水壓和聲壓作用下粘彈或超彈材料變形內(nèi)孔接觸作用材料變形內(nèi)孔接觸作用q接觸行為：接觸行為：q摩擦特性：靜摩擦和滑動摩擦摩擦特性：靜摩擦和滑動摩擦q傳熱特性：導(dǎo)熱、對流和輻射傳熱特性：導(dǎo)熱、對流和輻射q行為特性：標準分離、初始綁定、行為特性：標準分離、初始綁定、接觸綁定、綁定滑移和無限大摩接觸綁定、綁定滑移和無限大摩擦擦結(jié)構(gòu)動力

12、學(xué)q模態(tài)分析模態(tài)分析q自用振動的結(jié)構(gòu)自振頻率自用振動的結(jié)構(gòu)自振頻率及振型及振型q諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析q在周期載荷作用下的結(jié)構(gòu)在周期載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性響應(yīng)特性q瞬態(tài)分析瞬態(tài)分析q在任意歲時間變化載荷作在任意歲時間變化載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)特性用下的動態(tài)響應(yīng)特性q譜分析譜分析q在隨機載荷作用下的動力在隨機載荷作用下的動力響應(yīng)特性響應(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究ANSYS/LS-DYNA流體及流流體及流固耦合分析固耦合分析q其流體及流其流體及流固耦合分析包固耦合分析包括層流與湍流、可壓與不可括層流與湍流、可壓與不可壓縮流及流體壓縮流及流體結(jié)構(gòu)的動

13、態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)耦合分析，完整解決聲學(xué)分耦合分析，完整解決聲學(xué)分析的要求析的要求q其顯示求解方式具有隱式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)分準確的仿真，是高頻聲學(xué)分析所需要的析所需要的q其計算速度快，適合于大型其計算速度快，適合于大型復(fù)雜工程規(guī)模問題的求解復(fù)雜工程規(guī)模問題的求解聲波從空氣傳入水中聲波從空氣傳入水中主動聲納探測主動聲納探測ANSYS聲聲-振耦合解決方案振耦合解決方案qANSYS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qANSYS提供有豐富完整的金屬、超彈和粘彈材料模

14、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qANSYS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qANSYS能夠定義任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等等qANSYS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q如右圖，取消聲瓦一圓柱如右圖，取消聲瓦一圓柱部分進行分析，帶有一個部分進行分析，帶有一個孔腔，包含三個部分：?？浊唬齻€部分：海水、

15、消聲瓦和鋼板水、消聲瓦和鋼板q模型：模型：q海水密度、聲速海水密度、聲速q消聲瓦采用廣義消聲瓦采用廣義Maxwell粘彈模型粘彈模型q鋼板為彈性模型鋼板為彈性模型q聲壓脈沖激勵形式：聲壓脈沖激勵形式：海水海水單孔消聲瓦單孔消聲瓦時間時間壓壓力力粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.1s壓力傳播壓力傳播波動壓應(yīng)力波動壓應(yīng)力粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.1s壓力壓力-時間曲線時間曲線壓縮變形壓縮變形-時間曲線時間曲線粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈

16、沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.001s壓力傳播壓力傳播波動壓應(yīng)力波動壓應(yīng)力粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.001s壓力壓力-時間曲線時間曲線壓縮變形壓縮變形-時間曲線時間曲線粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.00001s壓力傳播壓力傳播波動壓應(yīng)力波動壓應(yīng)力粘彈示例1：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：3000Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.00001s壓力壓力-時間曲線時間曲線壓縮變形壓縮變形-時間曲線時間曲線q對于不同頻率激勵，粘彈材料的響應(yīng)會發(fā)生變化；對于不同頻

17、率激勵，粘彈材料的響應(yīng)會發(fā)生變化；q激勵頻率越高，粘彈材料的響應(yīng)滯后就越多；同時，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?。徽硰棽牧系捻憫?yīng)就越小；q由于粘彈材料良好的吸能減振特性，聲壓并不發(fā)生明由于粘彈材料良好的吸能減振特性，聲壓并不發(fā)生明顯的振動現(xiàn)象；顯的振動現(xiàn)象；q從分析發(fā)現(xiàn)，粘彈材料具有很好吸收振動能量的特性，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。到降低振動響應(yīng)和壓力波動。粘彈示例1：垂直入射結(jié)論超彈示例2：垂直入射q模型與粘彈一致，僅

18、僅將消聲瓦改為超彈材料模模型與粘彈一致，僅僅將消聲瓦改為超彈材料模型。型。q由于用戶提供沒有材料數(shù)據(jù)，故借用教材數(shù)據(jù)，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。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：脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.001s壓力傳播壓力傳播超彈示例2：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.001s聲壓聲壓-時間曲線時間曲線超彈示例2：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：20P

19、a 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.00001s壓力傳播壓力傳播實際狀態(tài)實際狀態(tài)壓力傳播壓力傳播慢放慢放超彈示例2：垂直入射脈沖壓力峰值：脈沖壓力峰值：20Pa 脈沖壓力時間：脈沖壓力時間：0.00001s聲壓聲壓-時間曲線時間曲線q對于不同頻率激勵，超彈材料的響應(yīng)回是一致的；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；后現(xiàn)象；q超彈材料也具有一定的能量耗散，但相對粘彈要低超彈材料也具有一定的能量耗散，但相對粘彈

20、要低很多；很多；q從分析發(fā)現(xiàn)，粘彈材料具有比超彈材料更好的消聲從分析發(fā)現(xiàn)，粘彈材料具有比超彈材料更好的消聲減振性能。減振性能。超彈示例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q計算者：杜光升計算者：杜光升/石油大學(xué)東營），王耀俊石油大學(xué)東營），王耀俊/南京大學(xué)聲學(xué)所南京大學(xué)聲學(xué)所q計算目的：計算計算目的：計算Stoneley波在有水平、垂直波在有水平、垂直裂縫的井中的反射，并與實測結(jié)果進行比較，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為測井研究提供幫助超彈示例4：水平裂縫計算模型q水平裂縫寬度水平裂縫寬度3mmq點聲源中心頻率點聲源中心頻率20KHZq單元總數(shù)：單元總數(shù)：3800yx0abce2m2e1m1e2m2de點聲源水平裂縫0102030405001234Frequency(kHz)Am