ansys 声学分析.doc

第五章 声学5.1什么是声学？声学研究声压波在流体介质中的产生、传播、吸收和反射。声学有如下的应用：声纳声学上雷达的对应物设计音乐厅，希望声压均匀分布。减小机器厂房内的噪音汽车中的噪声消除水下声学设计扬声器、音箱、声滤、消音器及其他类似装置。地球物理探测5.1.1声场分析的类型只有在ANSYS/Multiphysics 和 ANSYS/Mechanical中能进行声场分析，通常包括对流体介质及其周围结构的建模。典型感兴趣的是不同频率的声波在流体中的压力分布、压力梯度、粒子速度、声压级及声波的散射、衍射、传输、辐射、衰减和散射。耦合的声场分析将考虑流体-结构的相互作用。非耦合的声场分析模型只考虑流体而忽略任何流体-结构的相互作用。ANSYS程序假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相比有较小的变化。而且，流体假定为非流动并且无粘的（即粘性不引起耗散作用）。假定平均密度和平均压力不变，压力求解偏离平均压力而不是绝对压力。5.2求解声学问题通过执行一个谐波响应分析可以解决许多声学问题。分析计算流体-结构界面上的谐波载荷（正弦变化）引起流体中的压力分布。通过指定载荷的频率范围，可以观察到在不同的频率时压力的分布。可以执行模态和瞬态的声学分析。（参见ANSYS Structural Analysis Guide中关于这种分析更详细的叙述。）谐波声场分析的过程包括以下三个主要步骤：建立模型。施加边界条件和载荷并获得求解。查看结果。5.3建立模型在此步骤中，用户指定工作名称和分析标题，然后用PREP7前处理器定义单元类型，单元实常数，材料属性和模型几何尺寸。这些任务与多数分析相同，在ANSYS Basic Analysis Guide中有叙述。5.3.1谐波声场分析准则对一个谐波声场分析，考虑以下几点：单元类型ANSYS声场分析指定了四种单元类型：对二维和三维模型的流体部分分别使用Fluid29和Fluid30单元，Fluid129和Fluid130与FLUID29和FLUID30单元一起使用，用来构造包围Fluid29和Fluid30单元的无限外壳。利用这些单元类型可以构造流体部分的模型，然后利用相应的结构单元（PLANE42、SOLID45等）构造固体模型。只有Fluid29和Fluid30单元才能与结构单元相接触（在结构的内部或外部）；Fluid129和Fluid130单元只能与Fluid29和Fluid30单元相接触，而不能直接与结构单元接触。5.3.1.1 FLUID29与FLUID30单元对与固体相接触的声单元，要确保使用KEYOPT(2)=0，缺省的设置允许流体-结构的相互作用。UX，UY，UZ和PRES作为自由度引起单元矩阵的不对称。对所有其它的声单元，设置KEYOPT（2）=1，致使带有PRES自由度的单元矩阵的对称。（见图5-1）对称矩阵需要的内存和计算时间更少，因此只要可能就应该使用它。关于流体-结构的相互作用的详细信息参见ANSYS, Inc. Theory Reference。图5-1二维声模型的例子（流体在结构的内部）5.3.1.2 FLUID129和FLUID130单元对无限的吸收压力波的声单元，模拟在FLUID29和FLUID30单元之外无限延伸域的输出效果。FLUID129和FLUID130单元提供了第二级的吸收边界条件，所以输出的压力波到达模型的边界以最小的反射吸收到流体域内。FLIUD129单元用来建立二维流体区域的边界和诸如线单元。FLIUD130单元用来建立三维流体区域的边界和诸如平面表面单元。材料属性声单元需要密度（DENS）和声速（SONC）作为材料属性（FLUID129和FLUID130只需要SONC）。如果在流体-结构界面存在声的吸收，利用标记MU来指定边界导纳（吸收系数）。值通常由实验来测定。对结构单元，指定杨氏模量（EX）、密度（DENS）和泊松比（PRXY或NUXY）。实常数当用FLUID129和FLUID130单元时，里面的有限元网格边界必须是圆形的（二维及轴对称）或球形的（三维），而且圆形或球形边界的有限区域的半径必须指定为实常的RAD。（见图5-2）圆或球的中心也必须用实常数指定：R,3,RAD,X0,Y0!REAL set 3 for FLUID129R,3,RAD,X0,Y0,Z0!REAL set 3 for FLUID130如果二维轴对称情况圆的中心坐标（X0，Y0）或三维情况球的中心坐标（X0，Y0，Z0）不是通过实常数指定的，ANSYS假定中心为总体坐标系的原点。图5-2应用吸收单元的例子图5-3浸在水中的圆筒5.4对模型进行网格划分下面为使用二维无限的声单元进行网格划分的典型程序。对三维单元的程序与此相同。如果还有结构部分，结构单元必须与FLUID29单元相邻，而不要与无限流体单元（FLUID129）相邻。这个过程自动在有限区域的边界加入FLUID129单元。这里环形结构用PLANE42结构单元进行网格划分。与PLANE42单元接触的流体单元层用带有UX和UY自由度的FLUID29单元划分网格同时打开流体-结构接触面。流体的外层用没有UX和UY自由度的FLUID29单元建模。在X0=Y0=0处放置FLUID129单元的半径为0.31242（参见5.4.2节）。可用下列方法定义FLUID129单元：命令：ESURFGUI: Main MenuPreprocessorCreateElementsInf Acoustic5.4.1步骤一：内部流体区域的网格划分用FLUID29单元对圆形或球形边界（PLANE42）所包围的内部流体区域划分网格。图5-4 对流体区域划分网格5.4.2步骤二：生成无限的声单元按以下步骤：1选择圆形或球形边界上的节点：命令：NSELGUI: Utility MenuSelectEntities2指定FLUID129单元作为与FLUID29单元相联系的无限流体单元。命令：TYPE, REALGUI: Main MenuPreprocessorAttributesDefault AttribsMain MenuPreprocessorReal Constants无限单元对低频及高频激励都执行得很好。数值实验已确定吸收单元远离结构或振动源区域以外大约0.2放置能产生准确的结果。这里=c/f压力波的主波长。c是流体中的声速（SONC），f是压力波的主频。例如，对浸没在水中的圆盘或球壳的直径D，封闭边界的半径RAD至少应为D/2+0.2。而且，对一般的声分析，网格必须足够的细致以能分辨最小的主频。3在边界生成吸收单元（FLUID129）。命令：ESURFGUI: Main MenuPreprocessorCreateElementsInf Acoustic图5-5 在边界加入吸收单元5.4.3步骤三：指定流体-结构接触面指定流体-结构接触面：1选择界面上的所有节点。命令：NSELGUI: Utility MenuSelect Entities2选择附属于这些节点上的流体单元。命令：ESELGUI: Utility MenuSelectEntities3指定所选择的节点作为流体-结构接触面上的节点。命令：SFGUI: Main MenuPreprocessorLoadsApplyFluid-StructOn Nodes注意在对分析进行求解前确保重选所有的节点。图5-6 指定流体-结构界面5.5施加载荷并获得求解在这个步骤里，用户定义分析类型和选项，施加载荷，指定载荷步选项，并开始有限元求解。下面几节解释如何做这些工作。5.5.1步骤一：进入SOLUTION求解器通过选择GUI途径Main MenuSolution或执行/SOLU命令进入SOLUTION求解器。5.5.2步骤二：定义分析类型利用GUI途径或命令集，定义分析类型和分析选项。用下列方法定义分析类型：命令：ANTYPE,HARMICGUI: Main MenuSolutionNew Analysis必须选择新的分析NEW Analysis因为重启动对谐波响应分析无效。如果需要施加另外的谐波载荷，每次作一个新的分析（或用ANSYS Basic Analysis Guide中叙述的“部分求解”程序）。5.5.3步骤三：定义分析选项用下列方法指定求解方法：命令：HROPTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options尽管全量、减缩或模态叠加方法都是可选的方法，选择全量方法因为它自己就可以处理非对称矩阵。用下列方法定义求解列表格式：命令：HROUTGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options这个选项决定ANSYS如何在打印输出（Jobname.OUT）中对谐波自由度结果进行列表。用下列方法指定方程求解器：命令：EQSLVGUI: Main MenuSolutionAnalysis Options可以选择波前求解器（缺省），Jocobi共轭梯度（JCG）求解器，或不完全的Cholesky共轭梯度（ICCG）求解器。对大多数模型推荐使用JCG求解器。5.5.4步骤四：在模型上施加载荷由谐波分析的定义可知，假定任何施加的载荷随时间是简谐（正弦）变化的。在声学分析中完整地指定一个谐波载荷，通常需要两条信息：强迫力的频率和振幅。振幅是载荷的最大值，如表5-2所示用命令指定振幅。强迫力的频率是谐波载荷的频率（循环/时间）。可用HARFRQ命令或GUI途径Main Menu SolutionTime/FrequencFreq & Substeps在随后的载荷步中指定它。参见5.5.5节步骤5。表5-1列出了所有对谐波声分析可用的载荷及定义、列表和删除它们的命令。除了惯性载荷，用户既可以在实体模型（关键点、线和面）上也可以在有限元模型（节点和单元）上定义载荷。对实体模型载荷与有限元载荷综合的讨论参见ANSYS基本分析程序指南中加载与求解的有关章节。表5-1声学分析中可用的载荷载荷类型种类命令族菜单途径位移 (UX,UY,UZ), 压力 (PRES)约束DMain MenuPreprocessor-Loads-ApplyDisplacement or PotentialMain MenuSolutionApplyDisplacement or Potential力(FX,FX,FZ), 力矩 (MX,MY,MZ),流体载荷力FMain MenuPreprocessor-Loads-ApplyForce/MomentMain MenuSolution-Loads-ApplyForce/Moment压力 (PRES)阻抗 (IMPD)流体-结构相互作用标记(FSI)表面载荷SFMain MenuPreprocessor-Loads-Applyload typeMain MenuSolutionApplyload type重力旋转等惯性载荷ACEL, OMEGA, DOMEGA, CGLOC, CGOMEGA, DCGOM, IRLFMain MenuPreprocessor-Loads-Applyload typeMain MenuSolutionApplyload type在一个分析中，用户可以施加、移去、操作或列表载荷5.5.4.1用GUI施加载荷通过一系列的层叠菜单可以得到除列表（见下面）以外的所有载荷操作。从求解菜单中选择操作（应用等），载荷类型（位移、力等），然后是施加载荷的目标（关键点等）。例如，按以下GUI途径，给一条线施加位移载荷：Main MenuSolutionApplyDisplacementOn Lines用GUI途径对载荷进行列表：Utility MenuListLoadsload type5.5.4.2利用命令施加载荷表5-2列出在声分析中所有可用来加载的命令。表5-2在声分析中施加载荷的命令载荷类型实体模型或有限元图元施加删除列表操作施加设置位移压力实体模型关键点DKDKDELEDKLISTDTRAN实体模型线DLDLDELEDLLISTDTRAN实体模型面DADADELEDALISTDTRAN有限元节点DDDELEDLISTDSCALEDCUM力力矩实体模型关键点FKFKDELEFKLISTFTRAN有限元节点FFDELEFLISTFSCALEFCUM压力阻抗流体结构相互作用标记实体模型线SFLSFLDELESFLLISTSFTRANSFGRAD实体模型面SFASFADELESFALISTSFTRANSFGRAD有限元节点SFSFDELESFLISTSFSCALESFCUMSFGRAD有限元单元SFESFEDELESFELISTSFSCALESFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD惯性ACEL CGLOCCGOMGADCGOMOMEGADOMEGAIRLF5.5.4.3载荷类型位移（UX，UY，UZ）和压力（PRES）这些是DOF（自由度）约束。例如，在刚性的流体-结构接触面上指定零位移。也可以指定非零位移，但应记住它们被假定为简谐的。在自由流面边界通常指定零压力（此处流体不封闭，诸如一个开口）。力（FX，FY，FZ）和力矩（MX，MY，MZ）通常在模型的固体部分指定载荷以激励流体。当得知一个节点处的声载荷，可以通过指定FLOW力标记来指定流动载荷：命令：F,FLOWGUI: Main MenuSolutionApply-Structural-Force/MomentOn Nodes压力（PRES）可以在固体部分指定表面载荷来代替力和力矩。阻抗（IMPD）实际上显示不是载荷而是表面吸收声。指定声音的吸收度作为材料的属性MU（边界导纳或吸收系数）。流体-结构交互作用标记（FSI）这表示模型的流体-结构部分之间的接触表面。5.5.5步骤五：指定载荷步选项对谐波声分析有如下选项：表5-3对谐波声分析的载荷步选项选项命令菜单途径动力学选项强迫频率范围HARFRQMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/Frequenc Freq & Substeps一般选项谐波数NSUBSTMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/ FrequencFreq & Substeps阶跃载荷或斜坡载荷KBCMain MenuSolution-Load Step Opts-Time/ Frequenc Freq & Substeps输出控制打印输出控制OUTPRMain MenuSolutionOutput CtrlsSolu Printout数据库和结果文件输出OUTRESMain MenuSolutionOutput CtrlsDB/ Results File结果的外推ERESXMain MenuSolutionOutput CtrlsIntegration Pt5.5.5.1动力学选项在此范畴内唯一有效的选项即强迫力的频率范围，在谐波分析中是必须定义的（循环/时间）。在此范围内，然后指定要求解的解的个数。（见“常规选项”）5.5.5.2常规选项可以请求任意数目的待计算谐波求解数（通过NSUBST命令或其相应的GUI途径）。解（或子步）将在当前指定的频率范围内平均分布。例如，如果在30到40Hz内指定10个解，程序就会计算在31，32，33，39和40Hz处的响应。在低端频率处的响应将不进行计算。载荷可以是阶梯式的或斜坡式的（通过KBC命令或其GUI途径）。缺省地，它们是斜坡式的；即载荷值在每一个子步逐渐地增加。通过阶跃载荷，可以得到在频率范围内的所有相同的载荷值。5.5.5.3输出控制如果在打印输出文件中要包括任何结果数据用OUTPR或其相应的GUI途径（Jobname.OUT）。OUTRES和其GUI途径控制结果文件（Jobname.RST）中的数据。ERESX及其GUI途径允许通过拷贝到节点来查看单元积分点的结果而不是通过外推得到（缺省）。注意-缺省地程序只将每个载荷步的最后一个子步写到结果文件中。如果想要将所有子步（在所有频率处的解）写入结果文件，要保证用OUTRES将FREQ选项设置为ALL（或1）。5.5.6步骤六：备份数据库用Utility MenuFileSave as 或SAVE命令保存数据库的备份拷贝为一个命名的文件中。这样做使用户在求解失败时能恢复模型。（要恢复模型，重新进入ANSYS并执行RESUME命令或选择Utility MenuFileResume.）5.5.7步骤七：施加另外的载荷步（可选择）如果要施加另外的载荷步，重复步骤5和6。5.5.8步骤8：完成求解进行分析的求解然后结束。命令：SOLVEGUI: Main MenuSolution-Solve-Current LS 命令：FINISHGUI: Main MenuFinish5.6查看结果ANSYS程序将谐波声分析的结果写到结构的结果文件Jobname.RST中。结果包括下列数据，所有的结果在每一个的强迫频率处都按简谐变化：初始数据- 节点压力- 节点位移得出数据- 节点和单元压力梯度- 节点和单元应力- 单元力- 节点反力可用POST1或POST26查看此信息。5.7流体-结构相互作用流体和结构在网格界面处的相互作用引起声压施加给结构一个强迫力，并且结构运动产生一个有效的“流体载荷”。有限元的控制矩阵方程变为：（1）（2）R是一个耦合矩阵代表与流体-结构界面（FSI）上的节点相联系的有效表面面积。耦合矩阵R也考虑进了组成接触表面的每一对重合的流体和结构单元面的法线矢量方向。ANSYS程序使用的法线矢量的正方向定义为由流体网格以外朝向结构的方向。结构和流体载荷量都是定义在流体-结构的界面处并为节点自由度的未知函数。将未知的载荷量放在方程的左边并且将两方程合并为一个方程，产生如下结果：（3）方程（3）表明着流体-结构界面处的节点包括位移和压力自由度。5.8应用示例以下两个问题为声单元应用的例子。第一个例子说明声吸收单元在构造远场问题模型的应用，并通过GUI和批处理工具进行示范。第二个例子是近场问题，说明了在一个封闭空间中驻波预测的运用。5.9例1：流体-结构耦合声场分析（命令方法）在此例中，将确定一个浸没在水中延伸到无限远的环孔的第一阶弯曲模态（卵形模态）。使用谐波分析法通过对34Hz和38Hz频率之间进行频率扫描。环的中心到无限单元的距离至少应等于（D/2）+0.2l，这里D是环的外径。l=c/f是压力波的主波长。用0.26035作为环的外径，声速为1460，主频率为36000/2p，给出（D/2）+0.2l=0.26035+(0.2)(1460)(2p)/36000=0.311。0.31242距离相应的结果频率为35.240Hz。/BATCH,LIST/VERIFY,EV129-1S/PREP7/TITLE,AMA,EV129-1S,FLUID129,HARMONIC ANALYSISET,1,PLANE42! structural elementET,2,FLUID29!acoustic fluid element with ux & uyet,3,129! acoustic infinite line elementr,3,0.31242,0,0ET,4,FLUID29,1,0!acoustic fluid element without ux & uy! material propertiesMP,EX,1,2.068e11MP,DENS,1,7929MP,NUXY,1,0MP,DENS,2,1030MP,SONC,2,1460! create inner and outer quarter circlesCYL4,0,0,0.254,0,0.26035,90CYL4,0,0,0.26035,0,0.31242,90! select,assign attribute to and mesh area 1ASEL,S,AREA,1AATT,1,1,1,0LESIZE,1,16,1LESIZE,3,16,1LESIZE,2,1,1LESIZE,4,1,1MSHKEY,1MSHAPE,0,2D! mapped quad meshAMESH,1! select,assign attribute to and mesh area 2ASEL,S,AREA,2AATT,2,1,2,0LESIZE,5,16,1LESIZE,7,16,1LESIZE,6,5LESIZE,8,5MSHKEY,0MSHAPE,0,2D! mapped quad meshAMESH,2!reflect quarter circle into semicircle about x-axisnsym,x,1000,all! offset node number by 1000esym,1000,all!reflect semicircle into full circle about y-axisnsym,y,2000,all! offset node number by 2000esym,2000,allNUMMRG,ALL! merge all quantities! modify outer2 layers of el29 into type 4esel,s,type,1nsle,sesln,s,0nsle,sesel,invensle,semodif,all,type,4esel,allnsel,all! define el129 line elementcsys,1nsel,s,loc,x,0.31242type,3real,3mat,2esurfesel,allnsel,all! flag interface as fluid-structure interfacensel,s,loc,x,0.26035esel,s,type,2sf,all,fsi,1nsel,allesel,allFINISH! enter solution module/SOLUANTYPE,harmic! select harmonic analysishropt,fullf,19,fx,1000.f,1019,fx,-1000.harfrq,34.,38.nsubst,100kbc,1SOLVEFINISH/post26plcplx,0nsol,2,1,u,x,d1uxstoreconjug,3,2prod,4,2,3sqrt,5,4*get,uxmx,vari,5,extrem,tmax/COM -/COMExpected Result:/COM/COMThe following uxmx should equal 35.24 Hz./COM -*status,uxmxfinish5.10 例2：室内声场分析（命令方法）此例的问题示例了利用FLUID30单元预测一个典型盒子表示房间的声学驻波模式。吸声材料放在盒子的下表面，圆筒表面的振动结构放在盒子的右上角。此问题将确定结构在激励频率为80Hz时振动的声压波模式。/batch,list/com, Harmonic Analysis - Room Acoustics/PREP7/TITLE,Room Acoustic AnalysisANTYPE,HARMET,1,30! Acoustic elementsin contact with walls and vibrating surfaceET,2,30,1Acoustic elementsin interior (not in contact with walls)! Set parameters for mesh generationXDIV=29! Number of divisions along x-axisYDIV=19! Number of divisions along y-axisZDIV=1! Number of divisions along z-axisCDIV=2! Number of divisions along radius! Dimensions of the roomLEN=27HGT=20RAD=0.9! Mesh generationK,1K,2,LENK,3,LEN,HGTK,4,HGTK,5,-1K,6,LEN,-1K,7,LEN,HGT,-1K,8,HGT,-1L,1,5,1L,2,6,1L,3,7,1L,4,8,1CIRC,3,RAD,7,2,90,2ADRAG,5,6, 3PIO4=ATAN(1)LENC=COS(PIO4)LENC=LENC*RADHGTC=HGT-LENCLENC=LEN-LENCK,15,HGTCK,16,HGTC,-1K,17,LENCK,18,LENC,-1L,1 ,17,XDIVL,10,15,XDIVL,11,4 ,XDIVL,17,10,YDIVL,15, 1,YDIVL,2 ,9 ,YDIVL,5 ,18,XDIVL,13,16,XDIVL,14,8 ,XDIVL,18,13,YDIVL,16,5 ,YDIVL,6 ,12,YDIVESIZE,CDIVV,1 ,17,10,15, 5,18,13,16V,15,10,11,4 ,16,13,14,8V,17,2 ,9 ,10,18,6 ,12,13VMESH,ALL! Material propertiesMP,DENS,1,2.35E-3! (Rho) density of air (lb/ft*3)MP,SONC,1,1100.0!(C) speed of sound in air (ft/sec)MP,MU,1,0.04!(Beta) absorption coefficient of the walls !(Beta should be between 0 - 1)MP,DENS,2,2.35E-3MP,SONC,2,1100.0MP,MU,2,0.70! (Beta) absorption coefficient of ! the absorbing material on the floor! (Beta should be between 0 -1)MP,DENS,3,2.35E-3MP,SONC,3,1100.0MP,MU,3,0.0!(Beta) zero absorption coefficient for interior elementsNSEL,S,LOC,Y,0.0NSEL,R,LOC,X,12,15