ANSYS结构结构-声振耦合技术声振耦合技术解决方案解决方案安世亚太成都办事处安世亚太成都办事处 马武福马武福2007-6-21主题内容l产品设计产品设计/研制中关注的噪声问题研制中关注的噪声问题lANSYS软件的结构软件的结构-声噪耦合解决方案声噪耦合解决方案l典型应用实例典型应用实例l小结小结技技 术术 主主 题题ANSYS声声-结构耦合结构耦合ANSYS声学模型声学模型ANSYS声学流体单元声学流体单元ANSYS声学超弹材料声学超弹材料ANSYS声学粘弹材料声学粘弹材料ANSYS结构接触技术结构接触技术ANSYS结构动力学结构动力学ANSYS/LS-DYNA声学声学声学应用举例声学应用举例车车厢厢内内噪噪声声强强度度分分布布发发动动机机汽汽缸缸盖盖振振动动噪噪声声ANSYS声-结构耦合（ANSYS 多物理场耦合）q声学声学分析能力分析能力单单/多介质声传播特性多介质声传播特性结构振动声波结构振动声波声压激励结构振动声压激励结构振动声振耦合声振耦合输出输出声压力分布与梯度声压力分布与梯度声压级声压级声波散射、衍射、传输、声波散射、衍射、传输、辐射、衰减等参数辐射、衰减等参数结构动态变形应力等结构动态变形应力等q结构结构声学材料声学材料非线性材料非线性材料超弹材料超弹材料粘弹材料粘弹材料接触接触多体接触多体接触自接触自接触动力学动力学自由振动自由振动模态分析模态分析瞬态振动瞬态振动谐振动谐振动随机振动随机振动声波在管内震荡声波在管内震荡主动声纳探测主动声纳探测声波从空气传入水中声波从空气传入水中主动声纳探测主动声纳探测ANSYS声学模型q模型类型模型类型2D平面模型：平面模型： Fluid29/Fluid1292D轴对称模型：轴对称模型： Fluid29/Fluid1293D模型：模型： Fluid30/Fluid130q模型组成模型组成内部内部声学流体：声学流体： Fluid29/30附着层附着层声学流体：声学流体： Fluid29/30无限边界域无限边界域声学流体：声学流体： Fluid129/130结构：结构单元结构：结构单元FSI 流构耦合界面流构耦合界面二维流体-结构模型ANSYS声学模型q二维结构模型二维结构模型模型类型模型类型平面模型平面模型轴对称模型轴对称模型单元类型单元类型PLANE42单元单元PLANE82单元单元PLANE182单元单元PLANE183单元单元q三维结构模型三维结构模型SOLID45单元单元SOLID95单元单元SOLID185单元单元SOLID186单元单元ANSYS声学模型qFSI流固界面流固界面结构单元与流体单元接触作用表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定义流体压力与结构作用界面主主动动声声纳纳性性能能仿仿真真（中中间间为为中中空空刚刚性性球球）ANSYS声学模型q声学流体材料声学流体材料流体密度流体密度流体中声速流体中声速边界声吸收系数边界声吸收系数q结构材料结构材料弹性材料弹性材料超弹材料超弹材料粘弹材料粘弹材料弹塑性材料弹塑性材料其他材料其他材料s se e. .e e . .e e 0 0Fu拉伸拉伸压缩压缩超弹特性超弹特性粘弹特性粘弹特性ANSYS声学流体单元qFluid29/30单元单元声波传播和水下结构动力学声波传播和水下结构动力学 界面上吸收材料声波衰减界面上吸收材料声波衰减稳态、模态、谐波和瞬态声稳态、模态、谐波和瞬态声学学(与结构耦合与结构耦合)分析分析自由度设置自由度设置设置选项设置选项 K2=0：内部流体内部流体仅具有流体压力自由度仅具有流体压力自由度（PRES）设置选项设置选项 K2=1：附着层流体流体附着层流体流体具有结构具有结构(UX/UY/UZ)和流和流体压力体压力(PRES)qFluid129/130单元单元模拟模拟FLUID29/30模型边界模型边界外的无限流体域吸收效果外的无限流体域吸收效果二级吸收边界条件，传出的二级吸收边界条件，传出的压力波到达模型边界时将被压力波到达模型边界时将被“吸收吸收”，只有微量反射回，只有微量反射回流体域流体域 无无限限域域液液体体中中声声波波-结结构构振振动动声学超弹材料q材料性能材料性能能承受大弹性可恢能承受大弹性可恢复变形，任何地方复变形，任何地方都可达都可达100-700%几乎不可压缩几乎不可压缩应力应力-应变关系是高应变关系是高度非线性的度非线性的拉伸材料先软化再拉伸材料先软化再硬化，而压缩时材硬化，而压缩时材料急剧硬化料急剧硬化Fu拉伸拉伸压缩压缩声学超弹材料q18x单元超弹性模型单元超弹性模型多项式模型多项式模型应变应变可达可达300%Neo-Hookean模型模型一个简单的超弹模型一个简单的超弹模型单轴拉伸应变单轴拉伸应变可达可达3040%剪切应变可达剪切应变可达8090%Mooney-Rivlin模型模型两两项形式拉伸应变项形式拉伸应变可达可达90100%；更多项更多项形式可以捕捉工程应力形式可以捕捉工程应力-应变曲线的拐点应变曲线的拐点59项形式应变项形式应变可达可达100200%Arruda-Boyce模型模型8链模型链模型 基于统计的模型，需要的实验数据很少基于统计的模型，需要的实验数据很少应变应变可达可达300%Ogden模型模型基于主延伸率算法，更精确，但计算相对费时基于主延伸率算法，更精确，但计算相对费时应变可达应变可达700%Solid185+Neo-Hookean根据应变大小和根据应变大小和材料数据选择适材料数据选择适当的超弹模型当的超弹模型声学超弹材料qHYPER5x单元超弹性模型单元超弹性模型包括包括 HYPER56, 58, 74 和和 158仅用于模拟几乎不可压缩仅用于模拟几乎不可压缩 Mooney-Rivlin 材料材料qHYPER8x HYPER84 和和 86模拟模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料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弹性部分是可恢复的, 且是瞬时的且是瞬时的粘性部分是不可恢复的粘性部分是不可恢复的, 且在整个时间范围内发生且在整个时间范围内发生q用于模拟玻璃和聚合物等用于模拟玻璃和聚合物等声学粘弹材料qANSYS提供广义提供广义 Maxwell 粘弹模型粘弹模型由由k 个并联的弹簧和缓冲筒数组成个并联的弹簧和缓冲筒数组成是通用模型是通用模型, Maxwell, Kelvin-Voigt 和和 SLM是其中的特殊情况是其中的特殊情况qANSYS提供粘弹单元类型提供粘弹单元类型VISCO88 (2D) 和和 VISCO89 (3D)是高阶单元是高阶单元(能使用退化形式能使用退化形式)VISCO88/89 单元有应力单元有应力-刚化能力刚化能力G0G1G1Gkh1h2hk.结构接触技术q接触问题：接触问题：点点-点、点点、点-面和面面和面-面接触面接触多体接触或自接触多体接触或自接触静水压和声压作用下粘弹或超静水压和声压作用下粘弹或超弹材料变形内孔接触作用弹材料变形内孔接触作用q接触行为：接触行为：摩擦特性：摩擦特性：静摩擦和滑动摩擦静摩擦和滑动摩擦传热特性：传热特性：导热、对流和辐射导热、对流和辐射行为特性：行为特性：标准分离、初始绑标准分离、初始绑定、接触绑定、绑定滑移和无定、接触绑定、绑定滑移和无限大摩擦限大摩擦结构动力学q模态分析模态分析自用振动的结构自振频自用振动的结构自振频率及振型率及振型q谐响应分析谐响应分析在周期载荷作用下的结在周期载荷作用下的结构响应特性构响应特性q瞬态分析瞬态分析在任意岁时间变化载荷在任意岁时间变化载荷作用下的动态响应特性作用下的动态响应特性q谱分析谱分析在随机载荷作用下的动在随机载荷作用下的动力响应特性力响应特性 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其流体及流其流体及流固耦合分析包固耦合分析包括层流与湍流、可压与不可括层流与湍流、可压与不可压缩流及流体压缩流及流体结构的动态结构的动态耦合分析，完整解决声学分耦合分析，完整解决声学分析的要求析的要求q其显示求解方式具有隐式求其显示求解方式具有隐式求解所不可比拟的优点，突出解所不可比拟的优点，突出优势是对流场高频响应高效优势是对流场高频响应高效准确的仿真，是高频声学分准确的仿真，是高频声学分析所需要的析所需要的q其计算速度快，适合于大型其计算速度快，适合于大型复杂工程规模问题的求解复杂工程规模问题的求解声声波波从从空空气气传传入入水水中中主主动动声声纳纳探探测测ANSYS声-振耦合解决方案qANSYS提供有限元具有模型适应性强，能够创建任意声学结构体qANSYS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qANSYS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qANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等等qANSYS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如如右图，取消声瓦一圆柱部右图，取消声瓦一圆柱部分进行分析，带有一个孔腔，分进行分析，带有一个孔腔，包含三个部分：海水、消声包含三个部分：海水、消声瓦和钢板瓦和钢板q模型：模型：海水密度、声速海水密度、声速消声瓦采用广义消声瓦采用广义Maxwell粘弹模型粘弹模型钢板为弹性模型钢板为弹性模型q声压脉冲激励形式：声压脉冲激励形式：海水海水单孔消声瓦单孔消声瓦时间时间压压力力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.1s压力传播压力传播波动压应力波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.1s压力压力-时间曲线时间曲线压缩变形压缩变形-时间曲线时间曲线粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.001s压力传播压力传播波动压应力波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.001s压力压力-时间曲线时间曲线压缩变形压缩变形-时间曲线时间曲线粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.00001s压力传播压力传播波动压应力波动压应力粘弹示例1：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.00001s压力压力-时间曲线时间曲线压缩变形压缩变形-时间曲线时间曲线q对于不同频率激励，粘弹材料的响应会发生变化；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，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；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；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，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。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q模型与粘弹一致，仅仅将消声瓦改为超弹材料模型。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：脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.001s压压力力传传播播超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.001s声压声压-时间曲时间曲线线超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.00001s压力传播压力传播实际状态实际状态压力传播压力传播慢放慢放超弹示例2：垂直入射脉冲压力峰值：脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：脉冲压力时间：0.00001s声压声压-时间曲时间曲线线q对于不同频率激励，超弹材料的响应回是一致的；超对于不同频率激励，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；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，但相对粘弹要低很超弹材料也具有一定的能量耗散，但相对粘弹要低很多；多；q从分析发现，粘弹材料具有比超弹材料更好的消声减从分析发现，粘弹材料具有比超弹材料更好的消声减振性能。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：杜光升计算者：杜光升/石油大学（东营），王耀俊石油大学（东营），王耀俊/南京大学声学所南京大学声学所q计算目的：计算计算目的：计算Stoneley波在有水平、垂直裂波在有水平、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水平裂缝宽度水平裂缝宽度3mmq点声源中心频率点声源中心频率20KHZq单元总数：单元总数：3800点声源水平裂缝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计算结果实测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和折射纵波。当裂缝到井轴的距离为15cm时，实验测得反射纵时，实验测得反射纵波的视速度为波的视速度为9.8 km/s，而计算得其视速度为，而计算得其视速度为9.7km/s，进一，进一步的计算结果表明步的计算结果表明,垂直裂缝距井轴越近，反射纵波的视速度越垂直裂缝距井轴越近，反射纵波的视速度越大大裂缝到井轴裂缝到井轴15cm计算结果计算结果裂缝到井轴裂缝到井轴15cm实测结果实测结果声振耦合技术解决方案声振耦合技术解决方案THANKS