聲固耦合模型的建立

2016-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

所謂聲固耦合模型是指所建立的模型聲場和結構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生同樣的噪聲,還與系統(tǒng)聲學特性密切相關。當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(空氣)的制約,壁板振動產生噪聲,在經過駕駛室內空腔的放大或衰減,反過來產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過這樣的耦合后傳到受聲點,才形成最終的車內噪聲。這說明空腔四周壁板的機械振動和內部聲腔空氣的聲振動相互耦合,相互影響的。因此,單獨考慮空腔結構本身的振動模態(tài)或單獨考慮空腔聲學模態(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。而必須將結構振動和空腔流體介質(空氣)耦合起來考慮耦合體統(tǒng)的模態(tài)參數,才能跟準確、更真實的反應實際情況。

有限元軟件ANSYS能夠進行結構動態(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構聲學分析的步驟如下:

1、建立結構三維實體模型;

2、建立內部流質三維實體模型;

3、對結構和流質模型進行有限元網格劃分;

4、設置流固耦合單元;

5、在求解器中進行振動模態(tài)求解和受激勵的諧響應分析;

6、對計算結果進行后處理。

一、長方體空腔聲固耦合模型的建立:

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

圖1 結構尺寸

根據尺寸建立結構的骨架和三維模型(包括流體模型)如圖2、圖3所示:

圖2 結構骨架

圖3 三維實體

2、建立結構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中采用其中緊貼結構的流體采用“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格劃分。在劃分流體網格時要注意網格尺寸,網格劃分過于粗糙會產生較大誤差。對于線性有限元和邊界元模型來說,通常假設在最小波長內有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。假設聲音在某流體介質中的傳播速度是
,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。劃分好的空腔聲學網格和結構網格如下圖4所示。

圖4 聲學有限元和結構有限元模型

5、網格劃分好之后,根據分析要求要在結構與流體之間設置流固耦合單元,它是將結構與流體聯(lián)系在一起的單元,是結構到流體的過渡。它的設置主要有以下要求:必須是設置在所有結構與流體接觸的單元上;只能設置一層這樣的單元。流固耦合單元是將FLUID30單元的keyopt(2)設置成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換成1號單元;

(5)結束聲固耦合,形成流固耦合標志。

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 !選擇當前集中的2號單元

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

SF,ALL,FSI !結束耦合并形成耦合標志