ANSYS结构声振耦合解决的方案
ansys多物理场耦合技术和方法
ANSYS是一种广泛应用于工程领域的仿真软件，它提供了多物理场耦合分析的能力，用于模拟和解决多个物理现象相互作用的问题。
以下是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些常见应用：1. 结构-热耦合（Thermo-Structural Coupling）：这种耦合方法用于分析结构在热载荷下的变形和应力响应。
它可以考虑热传导、热辐射、温度梯度等对结构性能的影响，并通过结构和热传导方程之间的相互作用来解决这些问题。
2. 结构-电磁耦合（Electromagnetic-Structural Coupling）：这种耦合方法用于研究结构在电磁场作用下的响应。
它可以考虑电磁场的电流、磁场、电磁感应等对结构的影响，并通过结构和电磁场方程之间的相互作用来解决这些问题。
3. 流体-结构耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）：这种耦合方法用于模拟流体和结构之间的相互作用。
它可以考虑流体力学中的压力、速度、湍流、流体-固体界面等对结构的影响，以及结构对流体的阻力、振动等反馈作用。
4. 流体-热耦合（Fluid-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟流体和热传导之间的相互作用。
它可以考虑流体在流动过程中的热对流、辐射等对热传导的影响，以及热传导对流体温度分布的影响。
5. 电磁-热耦合（Electromagnetic-Thermal Coupling）：这种耦合方法用于模拟电磁场和热传导之间的相互作用。
它可以考虑电磁能量的吸收、热产生和热扩散等对系统温度分布的影响，以及温度对电磁特性的影响。
以上只是ANSYS多物理场耦合技术和方法的一些例子，实际中还有其他类型的耦合分析，如声-结构耦合、声-流体耦合等。
通过使用这些耦合技术和方法，工程师可以更准确地模拟和分析不同物理场之间的相互作用，从而更好地优化设计和解决实际问题。
ANSYS耦合场分析
ANSYS耦合场分析指南第三章2007-11-20 作者：安世亚太来源：e-works发表时间：关键字：ANSYS耦合场分析CAE教程3.141 静态分析对于静态分析，施加在换能器上的电压将产生一个作用在结构上的力。
例如如图 3 —3给机电换能器单元（TRANS126 ）施加电压（V l>V2 ）将产生静电力使扭梁旋转。
转换器单元本身就同时具有稳定和非稳定解，根据开始位置（初始间隙值），该单元可以收敛到任一个解。
静电换能器的静平衡可能是不稳定的。
增加电压电容板间的吸力增加间隙减少。
对间隙距离d,弹簧的恢复力正比于1/d静电力正比于1/d 2。
当电容间隙减少到一定值，静电吸引力大于弹簧恢复力电容板贴在一起。
相反地，当电压减小到一定值，静电吸引力小于弹簧恢复力电容板张开。
如图3 —4换能器单元有迟滞现象。
电压渐变到牵引值然后回复到释放值。
PositionPULL-IN 陽尸RELEASE__PULL-IN 忠赫療图3 —4机电迟滞如图及3 —5换能器单元本身有稳定及非稳定解。
该单元收敛到哪一个解依赖于起始位置（初始间隙大小）Force 8PULL-INVOLTAGEPOEASEFKJLLIM RELEASE图3 —5 TRANS126 单元静态稳定特性系统刚度由结构刚度和静电刚度组成，它可能是负的。
结构刚度是正的因为当弹簧拉长力增加。
但是平行板电容器的静电刚度是负的。
随间隙增加平行板间的吸力减少。
如果系统刚度是负的，在接近不稳定解时可能有收敛问题。
如果遇到收敛问题，用增强的刚度方法（KEYOPT（6）= 1）。
这个方法静电刚度设置为零保证正的系统刚度。
达到收敛之后，静电刚度自动重新建立可以进行后处理及后续的分析。
在静态分析中，必须完整定义横跨换能器的电压。
还可以施加节点位移和力，使用IC命令来施加初始位移可有助于问题收敛。
《ANSYSStructural Analysis Guide 》第二章对静力分析有详细描述。
基于有限元分析法的声振耦合问题研究
基于有限元分析法的声振耦合问题研究一、引言声振耦合是工程和科学领域中常见的一个问题。
在振动发生时，结构的振动会导致其所在的介质中的声波产生，这种现象就称为声振耦合。
声振耦合在机械、建筑、航空、汽车等领域中具有非常重要的应用和研究价值。
目前，常用的声振耦合分析方法包括实验法和数值计算法。
实验法通常采用声耦合实验室设备来测量实际结构的声学振动响应，并通过有限元分析法进行数值模拟。
而数值计算法中，有限元法是最常用的一种。
这种方法通过将结构分割成小单元，并对结构进行数值模拟，以预测结构在特定外部激励下的振动响应和声学振动响应。
本文旨在探讨基于有限元分析法的声振耦合问题，并重点关注其数值计算的基本原理、优点和局限性。
二、有限元分析法有限元分析法是一种基于数值计算的结构力学方法，被广泛应用于各种汽车、航空、建筑和机械等工程应用中。
该方法是基于数值离散化技术，将无限维度问题转化为有限的维度问题，利用已知的科学原理建立数学模型。
有限元分析法采用离散化的思想将结构分成小单元，通过计算每个小单元的特征值和特征向量，得到整个结构的振动特征。
小单元的振动特征可以以几何刚度、惯性、阻尼、刚度矩阵、质量矩阵等形式表示。
在声振耦合分析中，有限元分析法包括两个步骤。
首先，需要对待分析物进行结构动力分析和声学分析。
这种分析包括结构动力学和声学模型的建立，确定外部激励下结构和声学子系统的响应。
接着，将这些响应合并成一个总响应，然后对其进行分析。
三、声振耦合的数值模拟声振耦合的数值模拟过程通常分为以下几个步骤：1、建立有限元模型在数值模拟前，需要进行结构的建模和网格划分。
结构的建模包括对结构几何形状和材料参数的设定，网格划分可以根据结构的大小和形状进行。
2、结构动力学分析结构动力学分析是声振耦合分析中的重要步骤，其中的关键在于计算结构在外部激励下的振动响应。
这一步骤中，需要确定结构的固有频率和模态形式，并通过有限元法求出结构的振动响应。
ANSYS结构声振耦合解决方案
▪ 动力学
➢ 声压级
➢ 自由振动—模态分析
➢ 声波散射、衍射、传输、
➢ 瞬态振动
辐射、衰减等参数
➢ 谐振动
➢ 结构动态变形应力等
➢ 随机振动
声波从空气传入水中
主动声纳探测
声波在管内震荡
主动声纳探测
ANSYS声学模型
模型类型
▪ 2D平面模型： Fluid29/Fluid129 ▪ 2D轴对称模型： Fluid29/Fluid129 ▪ 3D模型： Fluid30/Fluid130
三维结构模型
▪ SOLID45单元 ▪ SOLID95单元 ▪ SOLID185单元 ▪ SOLID186单元
ANSYS声学模型
FSI—流固界面
▪ 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
（ 中主 间动 为声 中纳 空性 刚能 性仿 球真 ）
ANSYS声学模型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
声学流体材料 ▪ 流体密度 ▪ 流体中声速 ▪ 边界声吸收系数
脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.00001s
声压-时间曲线
超弹示例2：垂直入射结论
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 冲击的响应频率完全与激励频率一致，没有响应滞 后现象；
超弹材料也具有一定的能量耗散，但相对粘弹要低 很多；
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。
▪ 模拟FLUID29/30模型边界 外的无限流体域吸收效果
▪ 二级吸收边界条件，传出的 压力波到达模型边界时将被 “吸收”，只有微量反射回 流体域
➢ 设置选项 K2=0：
✓ 内部流体 ✓ 仅具有流体压力自由度
ANSYS APDL中的求解Solution命令汇总(各工况的载荷定义与求解)
2.6。
Solution命令这类命令加载并求解模型。
命令按功能分组：表2.48：常规分析选项 (2)表2.49：非线性选项 (4)表2.50：动态选项 (5)表2.51：频谱选项 (6)表2.52：加载步骤选项 (8)表2.53：固体约束 (8)表2.54：实体模型力 (9)表2.55：固体表面载荷 (9)表2.56：固体载荷 (9)表2.57：惯性载荷 (10)表2.58：其他负载 (11)表2.59：加载步骤操作 (12)表2.60：主自由度 (12)表2.61：间隙条件 (12)表2.62：重新分区 (12)表2.63：2-D到3-D分析 (13)表2.64：生与死选项 (13)表2.65：有限元约束 (13)表2.66：有限元节点力 (14)表2.67：有限元表面载荷 (14)表2.68：有限元体载荷 (15)表2.69：海洋载荷 (15)表2.70：状态命令 (16)表2.71：光能传递 (16)表2.72：增材制造 (17)表2.48：常规分析选项这些SOLUTION命令可设置常规分析选项。
ABEXTRACT提取用于瑞利阻尼的alpha-beta阻尼乘数。
ACCOPTION指定GPU加速器功能选项。
ADAMS执行解决方案并将弹性体信息写入模态中间文件。
ANTYPE指定分析类型和重新启动状态。
ASCRES指定声散射分析的输出类型。
ASOL激活指定的声学解决方案。
BCSOPTION设置稀疏求解器的内存选项。
CECHECK检查约束方程和刚体的耦合运动。
CHECK检查当前数据库项目的完整性。
CINT定义与轮廓积分计算相关的参数。
CMATRIX执行静电场解决方案，并计算多个导体之间的自电容和互电容。
CMSOPT指定组件模式综合（CMS）分析选项。
CNCHECK提供和/或调整接触对的初始状态。
CNKMOD修改接触单元的关键选项。
CNTR将接触对信息输出到文本文件。
CUTCONTROL在非线性解决方案中控制时间步缩减。
浅谈ANSYS中车桥耦合振动的实现方法与应用
浅谈ANSYS中车桥耦合的实现方法与应用作者：黄江广安区交通运输局摘要：弹簧移动质量的振动问题可通过大型通用结构有限元软件ANSYS进行分析解决，解决方法有三种，分别为：位移耦合法、生死单元法和位移接触法。
这三种方法各有优势与适用范围，本文对相关方法的具体情况作出简要介绍，并采用简单算例通过位移接触法进行应用介绍，阐述了车桥耦合振动仿真模拟的一般步骤，有利于读者了解这方面的内容。
关键词：位移耦合生死单元位移接触1前言车桥耦合振动问题是桥梁振动理论中的一项难题，随着大型通用有限元软件的开发，车桥振动模型在逐步得到精确化模拟，根据不同的车桥模型应有不同的模拟方法。
以下结合大型通用结构有限元软件ANSYS将三种模拟方法及应用作简要介绍。
2方法介绍位移耦合法位移耦合法的思路是仅创建一个质量单元模拟移动质量，根据移动速度对移动质量施加不同的水平约束位移，将移动质量与所移动到位置处的节点竖向位移耦合。
采用位移耦合法时赢注意以下几点：①因移动质量与梁上节点耦合，因此移动质量只能从梁上一个节点移动到下一节点，而从一个节点移动到下一节点为一个荷载步。
在一个荷载步中若设置多个子步，当KBC=0时会造成还没有移动到下一节点时就耦合自由度，也就是耦合位置不对；当KBC=1时，虽然在第一子步到达下一节点位置，即耦合位置正确，但中间收敛结果所产生的速度和加速度会对计算造成“污染”，因此无论KBC 如何设置，宜将NSUBST设置为1。
②阻尼问题。
ANSYS完全法瞬态动力分析不能设置模态阻尼比，但可用质量阻尼系数α和刚度阻尼系数β等效（Rayleigh阻尼假定），但正是因为Rayleigh 阻尼假定会造成ANSYS计算时产生“虚假”阻尼（α×质量矩阵），而理论推到中没有此项。
因此考虑阻尼进行结果对比时可仅考虑刚度阻尼。
③采用CP命令耦合自由度时，因自由度为线性耦合，不适合大变形情况。
如打开大变形，ANSYS计算的梁体位移、速度和加速度正确，但移动质量位移和加速度虽然趋势基本一致，但数值均存在很大误差或数值不正确，且误差随速度增大而增大。
CAE仿真技术在船舶总体设计中的应用
CAE仿真技术在船舶总体设计中的应用简介✓船舶总体结构静强度分析✓船舶分段、上层建筑、甲板、龙骨、外板、机座等局部静强度分析✓引擎、管路系统热应力分析船舶总体结构设计中需要考虑船体在各种环境下的变形和应力分布。
ANSYS Mechanical 软件可以帮助解决在正常工况下，结构零部件的强度、刚度及稳定性校核问题。
✓船体自由振动分析✓机械设备引起的船体受迫振动分析✓机座的减振设计船体的动力学问题ANSYS Mechanical动力学分析包含模态分析、瞬态分析、谐响应分析、响应谱分析和随机振动分析，能模拟船体的自由振动和受迫振动。
并在此基础上进行设备的减振设计。
✓研究船体设备的振动引起的声辐射✓水下舰艇的声辐射性能研究✓阻尼与隔振技术分析✓声学-结构耦合场分析船体噪音主要来源于机械噪音和流体噪音。
借助ANSYS Mechanical软件声振耦合分析功能，通过合理地优化船舶总体结构与各部件，达到减振降噪的目的。
✓冲击、碰撞或水下爆炸作用下舰艇局部抗爆性分析ANSYS LS-DYNA或ANSYS AUTODYN软件是显式动力学分析软件，模拟船体在短时间高峰值载荷作用下的时间历程响应，包括材料的变形、失效以及断裂等，为结构抗爆性问题提供完备的解决方案。
✓船体结构疲劳分析✓局部焊缝疲劳分析船舶受到波浪、风、惯性等交变载荷作用，易造成结构的疲劳损伤。
疲劳破坏是船体结构的主要破坏形式之一。
Fe-safe或ANSYS nCode Designlife高级疲劳分析和设计软件可分析船体与零部件由于反复运动引起的高、低周疲劳问题及板架焊缝疲劳问题。
✓船舶水动力性能ANSYS CFD能对不同的设计方案给出正确的排序。
比之水池试验，ANSYS CFD分析的长处是它允许对更宽范围的备选船型方案进行测试。
比较理想的做法是，它适合用来选择有希望的备选设计方案作进一步的水池试验。
ANSYS CFD也指明对设计方案进行改进的部位和方法，比如，显示出船身上的压力分布的细节。
燃烧室模型薄壁结构的声固耦合有限元分析
ｃ ｈ ｍ ｂｅ ａ ｒ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｈｅ ｔ ｃ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｎｓ ｉ ｄ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ａ ｎ ｄ ｎ ｏ ｔ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉｎ ｒ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｒｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏｗ ｈａ ｔ ｔ ，ｔ ｈｅ ｍｏ ｄ ａ ｌ ｒｅ ｆ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｔ ｈ ｉ ｎ — ｗａ ｌ ｌ ｅ ｄ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｂ ｕ ｓ ｉｏ ｔ ｎ ｃ ｈ ａ ｍｂ ｅ ｒ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｌ ｙ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｉｎｇ ｒ
文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５—１ ２ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） 叭一 ０ ０ ２ ０—０ ６
燃 烧 室模 型 薄 壁结 构 的声 固耦 合 有 限元 分 析
郭晓玲 ， 艾延延 ， 张婷 婷
（ 沈 阳航空航天大学 航空航天工程学部 ， 沈阳 １ １ ０ １ ３ ６）
摘要 ： 发动机燃烧室薄壁结构热声振耦合疲劳破坏与其声固耦合 特性研究直接相关 。本文应用有 限元软件 Ａ ＮＳ ＹＳ建立 了带冷却通道的燃烧室声固耦合计算 模型 ， 计算 了燃烧室 薄壁结构在 考虑 耦合和不考虑耦合两种情况 下 的结 构振 动特性 ， 发 现耦合 时燃烧 室薄壁 结构 的模 态频 率 略微减
小， 但 频率所对 应的模态振 型不变 ， 只是在频 率 ３ ８ ９ ． ６ Ｈｚ时发生强耦 合 。冷却通 道对结构 振动 的
影 响比内部燃烧室声腔 的影响大 ， 因此在今后 的研究过程 中应该考虑冷却通道对 结构 的影 响。 关键词 ： 燃烧室 ； 薄壁结构 ； 声固耦合 ； 结构振动 ； 有 限元
声学分析流程
计算声学响应的时候，是利用ANSYS软件计算并得到结构模态，采用LMS b软件计算声模态，并将结构模态结果导入LMS b软件，求解声固耦合模型。
接着，我们可以得出结构的振动位移和场内某点的声压。
CDB文件：在进行空腔模态分析时，我们假设结构为刚性壁，将用ANSYS划分的声学系统网格输出为CDB文件格式导入LMS b软件对乘坐室空腔声学系统式模型模态分析。
问题：CDB格式文件如何导出？（cdwrite命令？一般情况下可以写为cdwrite,all,filename,cdb）。
结构模型建造完成，划分好网格后，用CDB命令导出，即时surrogate o可以把sysnoise->Tools->Environment Variables->ANSYSREVISION 中的数值变为 5.7，且把CDB文件用记事本打开，把首行中8.1变为5.7,注意ANSYS保存CDB文件时，要使用Associated FE and IGES（2 files）项在使用ANSYS进行声学动态响应分析时需要自己编制程序，将ANSYS计算的结果转变为声压级，以符合声学响应分析的要求。
在LMS b中计算时，则是读入ANSYS建立的结构和声学网格中性文件CDB文件，同时读入前面在ANSYS中计算的结构模态，并在LMS b中计算声学模态，利用计算的结构和声学模态进行耦合的声振响应分析。
（有没必要在ANSYS中计算声学动态响应？）问题：结构模型和声腔模型导入时，它们是怎样在位置上定位的？答案：模型导入时，各点坐标不变。
声网格和结构网格上的坐标在建模时已经定义好了。
问题：吴为东视频FEM分析开始时，引入一个汽车的外部网格文件，是.op2格式的。
这个文件是在哪里生成的？。
答案：Patran/Nastran求解时生成的结果文件之一。
问题：如何读入前面在ANSYS中计算的结构模态？。
答案：可能是.mode文件。
在进行声场边界元分析的时候，一般是以结构体表面的法向速度作为边界条件，而这些数据主要是通过其他数值方法（如有限元法）计算得到或者通过实验测得。
ANSYS Maxwell-电机振动噪声多场耦合分析和自动化分析流程
-25.00
-30.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 Time [ms] 25.00 30.00 35.00 40.00
Radial Force on Tooth Tips
50.00
02_DC-6step_IPM
ANSOFT
-0.00
-50.00
Force (Newtons)
注意: ACT Extension 只需要激活一次。
17
© 2014 ANSYS, Inc.
April 14, 2014
Maxwell 的简单设置
Select Objects
Default Options Advanced Fourier Transform Options
18
© 2014 ANSYS, Inc.
Agenda
电机噪声综述
电机振动噪声分析流程
新的无缝集成的噪声自动化分析流程
总结
2
© 2014 ANSYS, Inc.
April 14, 2014
电机噪声介绍
Noise Sources
Magnetic
Radial
Self Auxiliaries Load Induced
Mechanical
Aerodynamic
-100.00
-150.00
Curve Info ExprCache(ToothTipRadial_Full1) ExprCache(ToothTipRadial_2) ExprCache(ToothTipRadial_3) ExprCache(ToothTipRadial_4) ExprCache(ToothTipRadial_5) ExprCache(ToothTipRadial_6)
ANSYS耦合场分析指南
第一章耦合场分析1.1耦合场分析的定义耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析。
例如压电分析，考虑结构和电场间的相互作用：求解由施加位移造成的电压分布或相反过程。
其它耦合场分析的例子有热－应力分析，热－电分析，流体－结构分析。
需要进行耦合场分析的工程应用有压力容器（热－应力分析），流体流动的压缩（流体结构分析），感应加热（磁－热分析），超声波换能器（压电分析）以及磁体成形（磁－结构分析），以及微电机械系统（MEMS）等。
1.2耦合场分析的类型耦合场分析的过程依赖于所耦合的物理场，但明显可以可分为两类：顺序耦合和直接耦合。
1.2.1 顺序耦合方法顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于不同物理场的分析。
通过将前一个分析的结果作为载荷施加到第二个分析中的方式进行耦合。
典型的例子是热－应力顺序耦合分析，热分析中得到节点温度作为“体载荷”施加到随后的应力分析中去。
1.2.2 直接耦合方法直接耦合方法一般只涉及到一次分析，利用包括所有必要自由度的耦合场类型单元。
通过计算包含所需物理量的单元矩阵或载荷向量的方式进行耦合。
例如使用了SOLID5、PLANE13或SOLID98单元的压电分析。
另外的例子如利用TRANS126单元的MEMS分析。
1.2.3 直接法与顺序法的应用场合对于耦合情况的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活。
因为两个分析之间是相对独立的。
例如在热应力顺序耦合分析中，可以先进行非线性瞬态热分析，然后再进行线性静力分析。
可以将瞬态热分析中任一载荷步或时间点的节点温度作为载荷施加到应力分析中。
顺序耦合可以是不同物理场之间交替进行执行，直到收敛到一定精度为止。
当耦合场之间的相互作用是高度非线性的，直接耦合具有优势。
它使用耦合变量一次求解得到结果。
直接耦合的例子有压电分析，流体流动的共轭传热分析，电路－电磁分析。
这些分析中使用了特殊的耦合单元直接求解耦合场间的相互作用。
适用于优化建筑结构声振特性的多重模态减缩策略
第 36 卷第 4 期2023 年8 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 4Aug. 2023适用于优化建筑结构声振特性的多重模态减缩策略黄行蓉1，2，姚毅1，2，张大义3，4（1.北京航空航天大学中法工程师学院，北京 100191； 2.北京航空航天大学杭州创新研究院（余杭），浙江杭州 310023； 3.北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京 100191；4.航空发动机结构强度北京市重点实验室，北京 100191）摘要: 建筑结构的声振特性是衡量建筑舒适性的重要指标之一，也是直接影响建筑使用寿命的重要因素，开展建筑结构声振特性优化的设计方法研究具有重要的工程意义。
以建筑结构为研究对象，将其看作声固耦合系统——固体域为混凝土材质的楼板和墙壁板构成的长方体结构，结构内部腔体填满可压缩空气。
引入分支模态发展了多重模态综合理论，建立了基于子结构固定界面模态、连接面分支模态和声学体自由子结构模态的减缩模型，极大地提升了声固耦合系统声振特性的分析效率；基于该减缩模型发展了一套建筑结构内部声压级优化方法，重点分析了建筑结构内部声压级与墙壁厚度、楼板⁃墙壁连接面上刚度之间的定量关系，并以腔体内部平均声压级为优化指标给出了优化策略。
本文所提出方法和分析结果可为建筑结构声振特性的分析和设计提供参考。
关键词: 声模态；声固耦合；模态综合；固定界面模态；分支模态中图分类号: TB53 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）04-1015-09DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.04.015引言大跨度框架结构愈来愈多地使用薄而轻的材料，对隔声隔振设计提出了更高的要求［1⁃4］；由于中国城镇化程度越来越高，使得城镇房屋越来越密集，电梯、水泵、空调、洗衣机等室内噪声源和汽车、城市轨道交通等室外噪声源，使得人们受噪声影响越来越多［5⁃7］。
Ansys 电机电磁、震动和噪声分析流程ppt课件
ANSYS 中国
4
电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
• 网格剖分
• 在原有网格剖分的基础上，加密网格剖分 • 加密定子齿尖网格剖分
• 按住Ctrl 键，依次选择6个定子齿尖模型 • 点击菜单Maxwell 2D > Mesh Operations > Assign > OnSelection > Length
电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
• 电机电磁、震动和噪声分析流程简介
• 本例将重点展示，如何在ANSYS Workbench平台下，电机的电磁、震动和噪声的 耦合分析流程。
• 本例以永磁同步电机模型为例。在Maxwell 2D中，利用该电机的1/8模型，计算定 子内表面径向和切向磁拉力；然后在ANSYS Mechanical中进行该电机三维定子的 谐响应分析；最后在ANSYS Mechanical ACT中进行三维声场分析。
ANSYS 中国
2
电机电磁、震动和噪声耦合分析流程
• 启动 Maxwell
• 导入 Maxwell 文件成功后，在 Workbench 的工作区会出现一个Maxwell Design。 • 启动 Maxwell
• 双击 Maxwell Design 上的 Maxwell 2D 标签，弹出 Maxwell 2D界面。
• 激活Acoustics ACT选项 •点击 Workbench 菜单Extensions > Manage Extensions •在弹出的 Manage Extensions 对话框中，选中 ExtAcoustics前面的单选框
• 激活 Beta 选项
• 激活Beta选项 •点击 Workbench 菜单Tools -> Options -> Appearance •选中Beta Option前的单选框
ANSYS结构声振耦合解决方案[精]
![ANSYS结构声振耦合解决方案[精]](https://img.taocdn.com/s3/m/ebb841c8941ea76e58fa0474.png)
ANSYS声学模型
声学流体材料 流体密度 流体中声速 边界声吸收系数
F
拉伸
u
压缩
超弹特性
结构材料
弹性材料 超弹材料 粘弹材料 弹塑性材料 其他材料
s
e.
e. 0 粘弹特性 e
ANSYS声学流体单元
Solid185+Neo-Hookean
根据应变大小和 材料数据选择适 当的超弹模型
声学超弹材料
HYPER5x单元超弹性模型
包括 HYPER56, 58, 74 和 158 仅用于模拟几乎不可压缩 M 和 86 模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料
ANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等 等
ANSYS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
动力学
声压级
自由振动—模态分析
声波散射、衍射、传输、
瞬态振动
辐射、衰减等参数
谐振动
结构动态变形应力等
随机振动
声波从空气传入水中
主动声纳探测
声波在管内震荡
主动声纳探测
ANSYS声学模型
FSI—流固界面
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
Mooney-Rivlin模型
两项形式拉伸应变可达90~100%； 更多项形式可以捕捉工程应力-应变曲线的拐点 5~9项形式应变可达100~200%
Arruda-Boyce模型——8链模型
基于统计的模型，需要的实验数据很少 应变可达300%
结构-声学有限元耦合
L5
Curve
Function Potential Node 267
Pressure
Format 1
NoBackground
Marker 0
Return
Return
Postprocess,
Vector 10
Save Potentials Step 1
Save Results none
Store Potentials none
Return
Store Results none
Return
NoFlow
Return
Analysis, Parameters…
定义求解参数；Save与Store是互斥的，不能同时选中；Save是将某频率下所有点的计算结果存放在一起，适于查看整体结果；Store是将某点的所有频率下的结果存放在一起，适于查看单点的频谱结果。一般是在求解时用Save，然后用Analysis, Store提取点的结果；
Model, Option…
选定模型的类型；结构有限元频域
S3
Import Mesh Format Free Fileplate.fre Return
File, Import…
读入模型网格；
S4
Transfer Modes Structure Project Fileplate-fine-modes.rst Format Ansys
计算声模态，前10阶；
A6
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CAE-耳机振膜电磁、结构及声学耦合分析
分析目的
电磁分析 利用ANSYS分析音膜结构的电磁场分布，得到音膜在磁场中的受力幅值结构分析 利用ANSYS模态分析得到音膜结构的固有频率和振型声场分析 利用SYSNOISE进行耳机振膜的声场分析，由ANSYS结构模型得到SYSNOISE声模型，并利用ANSYS模态分析结果进行振型叠加得到声场响应。后处理给出声压级随频率的变化，及距离音膜30厘米远的声场分布情况
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4577.6
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9793.0
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声场结果
声压级随频率的变化
峰值发生在881Hz，幅值为92.3db
声场结果
距音膜0.1毫米时的声压分布
声场结果
881Hz时距音膜30厘米时的声压分布
结论
从CAD到ANSYS再到SYSNOISE的模型及结果传递非常方便 ANSYS电磁、结构耦合分析准确预测电磁及结构场的结果 SYSNOISE可以快速方便得到声场的结果。还可以进行更为深入的分析 利用上述技术完全可以为扬声器和耳机的设计开发提供可靠的设计依据
14569.
13
10056.
26
建立声固耦合模型
声固耦合模型的建立所谓声固耦合模型是指所建立的模型声场和结构场之间能够相互影响相互作用的模型。
噪声是由振动引起的，但并不是相同的振动都会产生同样的噪声，还与系统声学特性密切相关。
当空腔壁板受到外界激励后引起车身壁板振动，同时壁板的振动还要受到空腔流体介质（空气）的制约，壁板振动产生噪声，在经过驾驶室内空腔的放大或衰减，反过来产生的噪声同样在壁板上放大或抑制壁板的振动，外界激振力输入后经过这样的耦合后传到受声点，才形成最终的车内噪声。
这说明空腔四周壁板的机械振动和内部声腔空气的声振动相互耦合，相互影响的。
因此，单独考虑空腔结构本身的振动模态或单独考虑空腔声学模态都不能反映力—振动、振动—声、声—振动这样的系统耦合特性。
而必须将结构振动和空腔流体介质（空气）耦合起来考虑耦合体统的模态参数，才能跟准确、更真实的反应实际情况。
有限元软件ANSYS能够进行结构动态特性分析和耦合声场分析，但这需要建立声固耦合模型。
因此本文就建立声固耦合模型的方法结合实例做简要的介绍。
ANSYS中建立声固耦耦合有限元模型和进行结构声学分析的步骤如下：1、建立结构三维实体模型；2、建立内部流质三维实体模型；3、对结构和流质模型进行有限元网格划分；4、设置流固耦合单元；5、在求解器中进行振动模态求解和受激励的谐响应分析；6、对计算结果进行后处理。
一、长方体空腔声固耦合模型的建立：1、根据图纸定义各部分的几何形状（点、线、面和体）。
本例的空腔结构尺寸如下图1所示：图1 结构尺寸根据尺寸建立结构的骨架和三维模型（包括流体模型）如图2、图3所示：图2 结构骨架 图3 三维实体2、建立结构和空腔流体的材料特征库。
骨架与钢板密度37800m /kg =ρ，弹性模量2111012m /N .E ⨯=，泊松比30.=μ，空腔钢板厚度2mm 。
空气密度3211m /kg .=ρ，声速s /m c 344=。
3、选择和定义单元类型，并对以建立的几何要素赋以单元类型。
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模型类型
▪ 2D平面模型： Fluid29/Fluid129 ▪ 2D轴对称模型： Fluid29/Fluid129 ▪ 3D模型： Fluid30/Fluid130
模型组成
▪ 内部声学流体： Fluid29/30 ▪ 附着层声学流体： Fluid29/30 ▪ 无限边界域声学流体： Fluid129/130 ▪ 结构：结构单元 ▪ FSI —流构耦合界面
▪ 包括 HYPER56, 58, 74 和 158 ▪ 仅用于模拟几乎不可压缩 Mooney-Rivlin 材料
HYPER8x
▪ HYPER84 和 86 ▪ 模拟Blatz-Ko可压缩泡沫类材料
声学粘弹材料
同时具有弹性固体和粘性液体相结合的行为特性 率相关行为材料性能与时间和温度都有关 粘弹性响应可看作由弹性和粘性部分组成
▪ Arruda-Boyce模型——8链模型
➢ 基于统计的模型，需要的实验数据很少 ➢ 应变可达300%
▪ Ogden模型
➢ 基于主延伸率算法，更精确，但计算相对费时 ➢ 应变可达700%
Solid185+Neo-Hookean
根据应变大小和 材料数据选择适 当的超弹模型
声学超弹材料
HYPER5x单元超弹性模型
解所不可比拟的优点，突出
优势是对流场高频响应高效
声
准确的仿真，是高频声学分
波
析所需要的
从
其计算速度快，适合于大型
空 气
复杂工程规模问题的求解
传
入
水
中
ANSYS声-振耦合解决方案
ANSYS提供有限元具有模型适应性强，能够创建任意声学结 构体
ANSYS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
s
e.
e. 0 e
粘弹特性
ANSYS声学流体单元
Fluid29/30单元
Fluid129/130单元
▪ 声波传播和水下结构动力学 ▪ 界面上吸收材料声波衰减 ▪ 稳态、模态、谐波和瞬态声
学(与结构耦合)分析 ▪ 自由度设置
▪ 模拟FLUID29/30模型边界 外的无限流体域吸收效果
▪ 二级吸收边界条件，传出的 压力波到达模型边界时将被 “吸收”，只有微量反射回 流体域
▪ 弹性部分是可恢复的, 且是瞬时的 ▪ 粘性部分是不可恢复的, 且在整个时间范围内发生
用于模拟玻璃和聚合物等
声学粘弹材料
ANSYS提供广义 Maxwell 粘弹模型
▪ 由k 个并联的弹簧和缓冲筒数组成 ▪ 是通用模型, Maxwell, Kelvin-Voigt
和 SLM是其中的特殊情况
ANSYS提供粘弹单元类型
▪ VISCO88 (2D) 和 VISCO89 (3D) ▪ 是高阶单元(能使用退化形式) ▪ VISCO88/89 单元有应力-刚化能力
G0
G1
h1
G1
h2
.
.
Gk .
hk
结构接触技术
接触问题：
▪ 点-点、点-面和面-面接触 ▪ 多体接触或自接触 ▪ 静水压和声压作用下粘弹或超
弹材料变形内孔接触作用
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
如右图，取消声瓦一圆柱 部分进行分析，带有一个 孔腔，包含三个部分：海 水、消声瓦和钢板
模型：
▪ 海水密度、声速 ▪ 消声瓦采用广义Maxwell
ANSYS声学模型
FSI—流固界面
▪ 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
（ 中主 间动 为声 中纳 空性 刚能 性仿 球真 ）
ANSYS声学模型
声学流体材料 ▪ 流体密度 ▪ 流体中声速 ▪ 边界声吸收系数
F
拉伸
u
压缩
超弹特性
结构材料
▪ 弹性材料 ▪ 超弹材料 ▪ 粘弹材料 ▪ 弹塑性材料 ▪ 其他材料
➢ 设置选项 K2=0：
✓ 内部流体 ✓ 仅具有流体压力自由度
（PRES）
➢ 设置选项 K2=1：
✓ 附着层流体流体 ✓ 具有结构(UX/UY/UZ)和
流体压力(PRES)
无 限 结域 构液 振体 动中 声 波
-
声学超弹材料
材料性能
▪ 能承受大弹性可恢 复变形，任何地方 都可达100-700%
▪ 几乎不可压缩 ▪ 应力-应变关系是高
接触行为：
▪ 摩擦特性：静摩擦和滑动摩擦 ▪ 传热特性：导热、对流和辐射 ▪ 行为特性：标准分离、初始绑
定、接触绑定、绑定滑移和无 限大摩擦
结构动力学
模态分析
▪ 自用振动的结构自振频 率及振型
谐响应分析
▪ 在周期载荷作用下的结 构响应特性
瞬态分析
▪ 在任意岁时间变化载荷 作用下的动态响应特性
度非线性的 ▪ 拉伸材料先软化再
硬化，而压缩时材 料急剧硬化
F
拉伸
u
压缩
声学超弹材料
18x单元超弹性模型
▪ 多项式模型
➢ 应变可达300%
▪ Neo-Hookean模型
➢ 一个简单的超弹模型 ➢ 单轴拉伸应变可达30~40% ➢ 剪切应变可达80~90%
▪ Mooney-Rivlin模型
➢ 两项形式拉伸应变可达90~100%； ➢ 更多项形式可以捕捉工程应力-应变曲线的拐点 ➢ 5~9项形式应变可达100~200%
ANSYS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
ANSYS能够定义任意球面波、柱面波和任意方向的平面波等 等
ANSYS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
二维流体-结构模型
ANSYS声学模型
二维结构模型
▪ 模型类型 ➢ 平面模型 ➢ 轴对称模型
▪ 单元类型 ➢ PLANE42单元 ➢ PLANE82单元 ➢ PLANE182单元 ➢ PLANE183单元
三维结构模型
▪ SOLID45单元 ▪ SOLID95单元 ▪ SOLID185单元 ▪ SOLID186单元
谱分析
▪ 在随机载荷作用下的动 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
其流体及流—固耦合分析包 括层流与湍流、可压与不可
主 动
压缩流及流体—结构的动态
声
耦合分析，完整解决声学分
纳
析的要求
探 测
其显示求解方式具有隐式求