目錄
結(jié)構(gòu)模型的建立
聲腔模型的建立
結(jié)構(gòu)，聲腔模型的模態(tài)分析
流固耦合模態(tài)分析
結(jié)論

摘要

本次分享，對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型進(jìn)行流固耦合的模態(tài)分析，主要給大家演示如何使用Hypermesh與Nastran對(duì)流固耦合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以及了解聲腔對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。

流固耦合法被廣泛地應(yīng)用于聲學(xué)和噪音控制領(lǐng)域，對(duì)空腔結(jié)構(gòu)（比如汽車車室）進(jìn)行流固耦合模態(tài)分析，可以了解到聲腔對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響，為研究耦合系統(tǒng)的聲學(xué)特性提供可靠的理論參考。

結(jié)構(gòu)模型的建立
本次分享采用一個(gè)壁厚為0.5mm，長(zhǎng)寬高為100 x 50 x 50mm的長(zhǎng)方體作為分析模型，模擬車身車室，命名為structure。單元采用片體shell單元，單元邊長(zhǎng)控制在5mm范圍。本次分析給結(jié)構(gòu)模型附上一般的鋼材材料屬性：彈性模量E=206800Mpa, 泊松比NU=0.3，密度RHO=7.85e-9ton/mm3
結(jié)構(gòu)模型如下圖所示：


聲腔模型的建立
對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型，例如車身車室的聲腔模型，我們一般會(huì)采用Hypermesh中的一個(gè)專門劃分聲腔網(wǎng)格的小功能 "Acoustic Cavity Mesh" 進(jìn)行建立，詳細(xì)教程下次再作介紹 。但是對(duì)于今天我們這個(gè)長(zhǎng)方體小模型，我們將按以下步驟建立聲腔模型：
首先先創(chuàng)建一個(gè)新component的層，命名為cavity；
按照下圖的指示，選擇 3D后點(diǎn)擊 teramesh 進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格的劃分；


進(jìn)入到體網(wǎng)格劃分界面，點(diǎn)擊Tetranesh parameters，在紅圈內(nèi)選擇User Controlled，然后把下面的Growth rate改成1.000，這個(gè)選項(xiàng)意義在于模型會(huì)以1.0的比例進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，即劃分出來的體網(wǎng)格，從外到內(nèi)每一層單元的大小將一致。下圖給出兩組不同Growth rate的體網(wǎng)格模型供讀者比較。


1.0

1.5

返回，然后點(diǎn)選Tetra mesh，點(diǎn)擊comps選擇建立好的structure模型，選上split quads into trias表示建立三菱錐實(shí)體單元，其余設(shè)置如圖所示，點(diǎn)擊mesh進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，聲腔實(shí)體網(wǎng)格模型就完成了；


聲腔網(wǎng)格模型出來后，還需要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)置。點(diǎn)擊圖示圖標(biāo)，把聲腔模型單獨(dú)顯示出來全選上所有的節(jié)點(diǎn)，然后點(diǎn)擊edit，進(jìn)去設(shè)置界面把CD-1勾選，界面將出現(xiàn)-1的字樣，點(diǎn)擊return完成設(shè)置。這一步設(shè)置把聲腔模型的節(jié)點(diǎn)設(shè)置為流固耦合的節(jié)點(diǎn)，為后續(xù)軟件計(jì)算查找流固耦合的節(jié)點(diǎn)做標(biāo)志；



聲腔模型的材料選擇流體材料類型MAT10，設(shè)置材料密度1.2e-12ton/mm^3，聲速340000mm/s.


聲腔模型單元屬性選擇PSOLID，附上材料cavity，勾選全積分FULL，F(xiàn)CTN選擇PFLUID.


結(jié)構(gòu)，聲腔模型的模態(tài)分析
為了了解聲腔模態(tài)與結(jié)構(gòu)模態(tài)的相互影響，在這里我們先來分別單獨(dú)計(jì)算出聲腔和結(jié)構(gòu)的自由模態(tài)。聲腔的第一階自由模態(tài)為剛體模態(tài)，聲腔內(nèi)各點(diǎn)的聲壓幅值相同；結(jié)構(gòu)自由模態(tài)前6階為6個(gè)自由度的剛體模態(tài)。要注意，在這里我們使用nastran求解器中EIGRL的方式進(jìn)行模態(tài)提取，把聲腔與結(jié)構(gòu)模型分開單獨(dú)導(dǎo)出提交計(jì)算即可。詳細(xì)的求解過程與 "白車身自由模態(tài)分析” 相同，點(diǎn)擊超鏈接回顧。下面直接給出聲腔與結(jié)構(gòu)各自的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，由于分析的結(jié)構(gòu)幾何形狀具有對(duì)稱性，計(jì)算結(jié)果也同理具有對(duì)稱性，所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)有些計(jì)算出來的模態(tài)頻率與振形結(jié)果相等或高度相似。



結(jié)構(gòu)第7~11階自由模態(tài)位移云圖


聲腔第2~5階自由模態(tài)聲壓云圖

流固耦合模態(tài)分析
接下來，我們來討論一下聲腔與結(jié)構(gòu)相互作用下的模態(tài)分析。把結(jié)構(gòu)與聲腔同時(shí)導(dǎo)入到hypermesh中進(jìn)行流固耦合模態(tài)分析的相關(guān)設(shè)置。

在做結(jié)構(gòu)與空腔的流固耦合分析時(shí)，導(dǎo)入的聲腔模型與結(jié)構(gòu)模型必須保證結(jié)構(gòu)單元的結(jié)點(diǎn)編號(hào)與聲腔單元的結(jié)點(diǎn)編號(hào)獨(dú)立分開，即兩類單元沒有共用的結(jié)點(diǎn)編號(hào)，否則軟件識(shí)別編號(hào)出錯(cuò)無法計(jì)算；
由于結(jié)構(gòu)和空氣在界面的相互作用，導(dǎo)致質(zhì)量和剛度陣中引入了對(duì)角線外的耦合項(xiàng)，對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)將出現(xiàn)復(fù)特征值，所以此時(shí)我們采用Nastran的復(fù)特征值(Dir. Complex Eigenvalues)的直接法求解器SOL107求解，而不是像以前單獨(dú)計(jì)算模態(tài)那樣，采用SOL103求解。通過control card > SOL 進(jìn)行更改；
提取模態(tài)的方式也不再使用EIGRL，而改為EIGC；


同樣，loadstep設(shè)置中Type也更改為Complex Eigen(direct)，CMETHOD選上EIGC；

流固耦合分析要記得在control card里面選擇ACMODL，設(shè)置耦合界面參數(shù)；提交到nastran計(jì)算。

計(jì)算完后，我們使用hyperview14.0打開結(jié)果文件.op2，此時(shí)計(jì)算出來的自由模態(tài)結(jié)果中，前7階模態(tài)頻率為0（結(jié)構(gòu)6個(gè)剛體模態(tài)加聲腔1個(gè)等聲壓模態(tài)），下圖給出流固耦合的第8，9階模態(tài)計(jì)算結(jié)果，動(dòng)圖的上方分別是第8階流固耦合的結(jié)構(gòu)模態(tài)（左邊）與聲腔模態(tài)（右邊），下方為第9階流固耦合的結(jié)構(gòu)模態(tài)（左邊）與聲腔模態(tài)（右邊）結(jié)果。


結(jié)構(gòu)模態(tài)（左）聲腔模態(tài)（右）
第8階模態(tài)（上） 第9階模態(tài)（右）

結(jié)構(gòu)耦合前后的模態(tài)頻率結(jié)果對(duì)比如下表所示：



總結(jié)
流固耦合后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部模態(tài)的地方會(huì)導(dǎo)致聲腔在該位置也出現(xiàn)局部模態(tài)；
對(duì)比一下耦合前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，考慮聲腔耦合作用后，結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率都有明顯的提高；
耦合系統(tǒng)并不是兩個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單的疊加，二者之間的相互作用會(huì)一定程度上改變?cè)到y(tǒng)模態(tài)的頻率和振型。