聲固耦合模型的建立

2016-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

所謂聲固耦合模型是指所建立的模型聲場和結(jié)構(gòu)場之間能夠相互影響相互作用的模型。噪聲是由振動引起的,但并不是相同的振動都會產(chǎn)生同樣的噪聲,還與系統(tǒng)聲學(xué)特性密切相關(guān)。當(dāng)空腔壁板受到外界激勵后引起車身壁板振動,同時壁板的振動還要受到空腔流體介質(zhì)(空氣)的制約,壁板振動產(chǎn)生噪聲,在經(jīng)過駕駛室內(nèi)空腔的放大或衰減,反過來產(chǎn)生的噪聲同樣在壁板上放大或抑制壁板的振動,外界激振力輸入后經(jīng)過這樣的耦合后傳到受聲點,才形成最終的車內(nèi)噪聲。這說明空腔四周壁板的機械振動和內(nèi)部聲腔空氣的聲振動相互耦合,相互影響的。因此,單獨考慮空腔結(jié)構(gòu)本身的振動模態(tài)或單獨考慮空腔聲學(xué)模態(tài)都不能反映力—振動、振動—聲、聲—振動這樣的系統(tǒng)耦合特性。而必須將結(jié)構(gòu)振動和空腔流體介質(zhì)(空氣)耦合起來考慮耦合體統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),才能跟準(zhǔn)確、更真實的反應(yīng)實際情況。

有限元軟件ANSYS能夠進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析和耦合聲場分析,但這需要建立聲固耦合模型。因此本文就建立聲固耦合模型的方法結(jié)合實例做簡要的介紹。

ANSYS中建立聲固耦耦合有限元模型和進行結(jié)構(gòu)聲學(xué)分析的步驟如下:

1、建立結(jié)構(gòu)三維實體模型;

2、建立內(nèi)部流質(zhì)三維實體模型;

3、對結(jié)構(gòu)和流質(zhì)模型進行有限元網(wǎng)格劃分;

4、設(shè)置流固耦合單元;

5、在求解器中進行振動模態(tài)求解和受激勵的諧響應(yīng)分析;

6、對計算結(jié)果進行后處理。

一、長方體空腔聲固耦合模型的建立:

1、根據(jù)圖紙定義各部分的幾何形狀(點、線、面和體)。本例的空腔結(jié)構(gòu)尺寸如下圖1所示:

圖1 結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)尺寸建立結(jié)構(gòu)的骨架和三維模型(包括流體模型)如圖2、圖3所示:

圖2 結(jié)構(gòu)骨架

圖3 三維實體

2、建立結(jié)構(gòu)和空腔流體的材料特征庫。骨架與鋼板密度,彈性模量,泊松比,空腔鋼板厚度2mm。空氣密,聲速。

3、選擇和定義單元類型,并對以建立的幾何要素賦以單元類型。該封閉腔有梁和板組成的,在ANSYS中采用其中緊貼結(jié)構(gòu)的流體采用“接觸型”單元(FLUID30,keyopt(2)=0:structure present)表示聲固耦合單元(編號1);內(nèi)部聲場用三維流體單元(FLUID30,keyopt(2)=1:structure absent)表示(編號2);三維彈性殼單元(SHELL63)代表封閉腔的壁(編號3);梁單元(BEAM188,截面0.05×0.05m)表示梁(編號4)。

4、對已賦單元類型的幾何要素進行網(wǎng)格劃分。在劃分流體網(wǎng)格時要注意網(wǎng)格尺寸,網(wǎng)格劃分過于粗糙會產(chǎn)生較大誤差。對于線性有限元和邊界元模型來說,通常假設(shè)在最小波長內(nèi)有6個單元,也就是最大單元的邊長要小于計算頻率最短波長的的1/6,或者要小于最高計算頻率點處的波長的1/6;對于二次單元,最大變長要小于計算頻率最短波長的1/3,或者要小于最高頻率點出的波長的1/3。假設(shè)聲音在某流體介質(zhì)中的傳播速度是
,某個單元的長度是
,給定單元如果是線性單元,那么這個單元可以計算到的最大頻率為

如果知道了計算的最高頻率,那么單元的長度應(yīng)滿足:

本例中單元長度為0.1m,計算最高頻率為200Hz,滿足計算要求。劃分好的空腔聲學(xué)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如下圖4所示。

圖4 聲學(xué)有限元和結(jié)構(gòu)有限元模型

5、網(wǎng)格劃分好之后,根據(jù)分析要求要在結(jié)構(gòu)與流體之間設(shè)置流固耦合單元,它是將結(jié)構(gòu)與流體聯(lián)系在一起的單元,是結(jié)構(gòu)到流體的過渡。它的設(shè)置主要有以下要求:必須是設(shè)置在所有結(jié)構(gòu)與流體接觸的單元上;只能設(shè)置一層這樣的單元。流固耦合單元是將FLUID30單元的keyopt(2)設(shè)置成0即可。具體操作方法為:

(1)選擇表面所有節(jié)點;

(2)選則依附與節(jié)點的單元;

(3)選擇上步中單元中的流體單元;

(4)將上步中的一層流體單元轉(zhuǎn)換成1號單元;

(5)結(jié)束聲固耦合,形成流固耦合標(biāo)志。

上述步驟可以用命令表示:

ASEL,S,,,ALL !選擇所有表面

NSLA,S,1 !選擇面上的節(jié)點

ESLN,S,0 !選擇與節(jié)點連接的所有單元

ESEL,R,TYPE,,2 !選擇當(dāng)前集中的2號單元

EMODIF,ALL,TYPE,1 !將當(dāng)前單元強制轉(zhuǎn)換為1號單元(必須在前處理器中輸入)

SF,ALL,FSI !結(jié)束耦合并形成耦合標(biāo)志