2016年结构声振耦合分析解决方案精品ppt
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结构-声振耦合技术解决方 案
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
Source receiver distance(mm)
声振耦合技术解决方案
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
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 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
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
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
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
主 动 声 纳 探 测 声 波 从 空 气 传 入 水 中
10
End of Model Arrival Direct Stoneley Arrival Reflected Stoneley Arrival
Source receiver distance(cm)
20
30
Hornby experiment(04/23/99) width of fractrue 3mm
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
.0 e 粘弹特性
e
超弹特性
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
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
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
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
用于模拟玻璃和聚合物等
声学粘弹材料
G0
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
G1 G1
.
h1
h2
hk
Gk
. .
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
Solid185+Neo-Hookean
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%
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
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
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
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
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
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。
Fracture Location
Scan Distance (mm)
Fracture Location
40
50
0 200 400 600 800 1000
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 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 计算结果
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； 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。
y
c
水平裂缝
e2 m 2 e 1 m1
e d
Time(s)
Amplitude
点声源
e2 m 2
Amplitude
3 2 1 0 0 10 20 30 40 50
0
Frequency(kHz)
a
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
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
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：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 50 0 -50 -100 -150 0 4 100 200 300 400
声学应用举例
声车 厢 布强 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
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
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%
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
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。
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
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
流体及流—固耦合分析
其流体及流—固耦合分析包
ANSYS/LS-DYNA
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)
-
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
设置选项 K2=0：
内部流体 仅具有流体压力自由度 （PRES）
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
Source receiver distance(mm)
声振耦合技术解决方案
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
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 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
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
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
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
主 动 声 纳 探 测 声 波 从 空 气 传 入 水 中
10
End of Model Arrival Direct Stoneley Arrival Reflected Stoneley Arrival
Source receiver distance(cm)
20
30
Hornby experiment(04/23/99) width of fractrue 3mm
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
.0 e 粘弹特性
e
超弹特性
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
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
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
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
用于模拟玻璃和聚合物等
声学粘弹材料
G0
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
G1 G1
.
h1
h2
hk
Gk
. .
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
Solid185+Neo-Hookean
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%
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
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
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
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
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
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。
Fracture Location
Scan Distance (mm)
Fracture Location
40
50
0 200 400 600 800 1000
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 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 计算结果
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； 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。
y
c
水平裂缝
e2 m 2 e 1 m1
e d
Time(s)
Amplitude
点声源
e2 m 2
Amplitude
3 2 1 0 0 10 20 30 40 50
0
Frequency(kHz)
a
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
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
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：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 50 0 -50 -100 -150 0 4 100 200 300 400
声学应用举例
声车 厢 布强 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
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
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%
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
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。
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
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
流体及流—固耦合分析
其流体及流—固耦合分析包
ANSYS/LS-DYNA
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)
-
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
设置选项 K2=0：
内部流体 仅具有流体压力自由度 （PRES）
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