ANSYS结构声振耦合解决方案

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 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
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.1s
压力传播
波动压应力
粘弹示例1：垂直入射
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.1s
压力-时间曲线
压缩变形-时间曲线
粘弹示例1：垂直入射
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.001s
压力传播
波动压应力
粘弹示例1：垂直入射
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.001s
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
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
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%
Solid185+Neo-Hookean
Arruda-Boyce模型——8链模型
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

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
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
压力-时间曲线
压缩变形-时间曲线
粘弹示例1：垂直入射
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.00001s
压力传播
波动压应力
粘弹示例1：垂直入射
脉冲压力峰值：3000Pa 脉冲压力时间：0.00001s
压力-时间曲线
压缩变形-时间曲线
粘弹示例1：垂直入射结论
对于不同频率激励，粘弹材料的响应会发生变化；
超弹示例3：声振耦合—减振降噪设计
消声器
有无挡板的效果比较
声压
速度
超弹示例3：声与声探测（声纳）
空气
内为钢球（中空） 测点压力-时间 曲线
1.0M
超弹示例4：裂缝对井中斯通利波的反射
计算者：杜光升/石油大学（东营），王耀俊/
南京大学声学所 计算目的：计算Stoneley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， 为测井研究提供帮助
Fluid129/130单元 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 无 限 结域 构液 振体 动中 声 波 -
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)
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 粘弹模型 钢板为弹性模型
声压脉冲激励形式：
压 力 时间
海水
单孔消声瓦
粘弹示例1：垂直入射
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 压缩流及流体—结构的动态 耦合分析，完整解决声学分 析的要求 其显示求解方式具有隐式求 解所不可比拟的优点，突出 优势是对流场高频响应高效 准确的仿真，是高频声学分 析所需要的 其计算速度快，适合于大型 复杂工程规模问题的求解

结构振动声波 声压激励结构振动 声振耦合
粘弹材料
接触 多体接触

输出 声压力分布与梯度

自接触
声压级 声波散射、衍射、传输、 辐射、衰减等参数 结构动态变形应力等
动力学 自由振动—模态分析

瞬态振动 谐振动 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
计算结果
Time(s)
实测结果
Time (s)
超弹示例4：垂直裂缝计算结果与实测结果
裂缝到井轴15cm 计算结果 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
和折射纵波。当裂缝到井轴的距离为15cm时，实验测得反射纵 波的视速度为9.8 km/s，而计算得其视速度为9.7km/s，进一 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 大
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
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结构-声振耦合技术 解决方案
安世亚太成都办事处 马武福 2007-6-21
主题内容
产品设计/研制中关注的噪声问题
ANSYS软件的结构-声噪耦合解决方案
典型应用实例 小结
技术主题

ANSYS声-结构耦合
ANSYS声学模型 ANSYS声学流体单元 ANSYS声学超弹材料
超弹示例4：水平裂缝计算模型
水平裂缝宽度3mm
点声源中心频率20KHZ
单元总数：3800
150 100
y
c
水平裂缝
e2 m 2 e 1 m1
e
0 100
Amplitude
50 0 -50 -100 -150 200 300 400
d
Time(s)
4
点声源
e2 m 2
Amplitude
3 2 1 0 0 10 20 30 40 50
0
a
Frequency(kHz)
b
x
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
Direct arrival Reflected arrival
10
End of Model Arrival Direct S toneley Arrival Reflected Stoneley Arrival
130
170
210
250
P
P'
裂缝到井轴15cm 实测结果
100 150 200 250
0
50
Time(s)
Zhou Jihong's experiment outer raius=15cm
Source receiver distance(mm)
声振耦合技术解决方案
THANKS
型。 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：20Pa 脉冲压力时间：0.001s
压 力 传 播
超弹示例2：垂直入射
脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.001s
声压-时间曲线
主 动 声 纳 探 测 声 波 从 空 气 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 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
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

G0 G1 G1
. . .
h1 h2 hk
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
Gk
ANSYS提供粘弹单元类型 VISCO88 (2D) 和 VISCO89 (3D)
Source receiver distance(cm)
20
30
Hornby experiment(04/23/99) width of fractrue 3mm
Fracture Location
Scan Distance (mm)
Fracture Location
40
50
0 200 400 600 800 1000

是高阶单元(能使用退化形式) VISCO88/89 单元有应力-刚化能力
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
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
ANSYS声学粘弹材料 ANSYS结构接触技术 ANSYS结构动力学 ANSYS/LS-DYNA声学 声学应用举例

声车 布强厢 度内 分噪 发 振动 动机 噪汽 声缸 盖
ANSYS声-结构耦合
（ANSYS 多物理场耦合）
声学 分析能力 单/多介质声传播特性

结构 声学材料—非线性材料 超弹材料
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 间 为 中 空 刚 性 球 ）
主 动 声 纳 性 能 仿 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
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
F
拉伸
s
. e
u
压缩
. e0
超弹特性
粘弹特性
e
ANSYS声学流体单元
Fluid29/30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
设置选项 K2=0：
内部流体 仅具有流体压力自由度 （PRES）
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； 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； 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 到降低振动响应和压力波动。
超弹示例2：垂直入射
模型与粘弹一致，仅仅将消声瓦改为超弹材料模
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%
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 Mooney-Rivlin 材料
超弹示例2：垂直入射
脉冲压力峰值：20Pa 脉冲压力时间：0.00001s
压力传播—慢放
压力传播—实际状态
超弹示例2：垂直入射
脉冲压Hale Waihona Puke Baidu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。