ANSYS结构声振耦合解决方案

100
200
300
400
Time(s)
10
20
30
40
50
Frequency(kHz)
声源的时域波形及频谱
e1m1
e d
点声源
0
a
Amplitude
水平裂缝
e2m2
e2m2
bx
超弹示例4：水平裂缝计算结果与实测结果
Source receiver distance(cm)
Fracture Location
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
声学流体材料 ▪ 流体密度 ▪ 流体中声速 ▪ 边界声吸收系数
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
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 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。
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
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 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
Scan Distance (mm)
Hornby experiment(04/23/99) width of fractrue 3mm
Direct arrival
10
20
Reflected arrival
Direct Stoneley Arrival
Reflected Stoneley Arrival
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
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
▪ 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
▪ 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
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
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
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
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
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：300Baidu NhomakorabeaPa 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； 激励频率越高，粘弹材料的响应滞后就越多；同时，
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
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
➢ 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%
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
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
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
End of Model Arrival
30
40
50
0
200
400
600
800
1000
计算结果 Time(s)
Fracture Location
实测结Time果(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
在接收的全波列波形中，可以观察到来自垂直裂缝计的算反结射果纵波
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
▪ 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
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 ▪ 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 度
厢 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
结构
▪ 分析能力
▪ 声学材料—非线性材料
➢ 单/多介质声传播特性
➢ 超弹材料
➢ 结构振动声波
➢ 粘弹材料
➢ 声压激励结构振动
▪ 接触
➢ 声振耦合
➢ 多体接触
▪ 输出
➢ 自接触
➢ 声压力分布与梯度
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
➢ 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
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；
Source receiver distance(mm) Zhou Jihong's experiment outer raius=15cm
130
170
210
250
P P'
裂缝到井轴15cm
实测结果
0
50
100
150
200
250
Time(s)
声振耦合技术解决方案
THANKS
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
超弹示例4：水平裂缝计算模型
Amplitude
水平裂缝宽度3mm
点声源中心频率20KHZ
单元总数：3800
y
c
150 100
50 0
-50 -100 -150
0
4
3
2
1
0 0
▪ 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
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。
超弹示例3：声振耦合—减振降噪设计
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
内为钢球（中空）
测点压力-时间 1.0M 曲线
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
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