P023-用MSC.Nastran进行流固耦合系统的动力学分析

1、用 MSC.Nastran 进行流固耦合系统的动力学分析王安平刘兵山中国科学院光电研究院 北京 100190摘要：本文用Nastran2005对一个流固耦合系统进行了模态分析, 结合一个密闭的薄壁结构模型，给出了分析的一般过程和需要注意的 问题，也给出了该薄壁结构的模态频率、空腔系统的声学模态频率， 以及耦合系统中，结构和空腔的声学模态频率和振型的变化。关键词：Nastran,流固耦合，声学Modal Analysis Using MSC.Nastran for CoupledFluid-Structure SystemWANG Anping, LIU BingshanAcademy of O

2、pto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing , 100190 ChinaAbstract ：The paper introduced the modal analysis method for the coupled fluid-structure (CFS) system using MSC.Nastran2005. Combined the model of a sealed laminated structure, analytical approach and watchful items are presented. A

3、nd making use of the MSC software, the structure modal analysis and the cavity acoustic modal analysis of the CFS system are simulated.Keywords: Nastran, Coupled fluid-structure, Acoustics0 前言流固耦合法广泛应用于声学和噪声控制领域， 如发动机的噪声控制。对空腔 结构（比如汽车车室、宇宙飞船船舱 ）进行流固耦合分析，可以知道耦合作用对系 统模态的影响，可为研究耦合系统的声学特性提供可靠的理论和试验依据。之前

4、的文献中 1，为得到流固耦合系统的计算模型，往往要对 .bdf 文件进 行复杂的手工修改，容易出错，且不方便。本文对一个空腔结构，用 Patran2005 建模，完成了流固耦合模态分析，过程简便，且不易出错。1 建模一个圆台形的密封薄壁空腔结构，上底面半径为0.3m,下底面半径为0.2m, 壁厚为0.001m,上下底距离为0.7m，材料为铝合金。用4结点体元划分空腔，空腔声学系统的模型如图 1所示，单元尺寸约 0.1m， 含1637个体元；用3结点壳元划分薄壁结构,模型如图 2所示,单元尺寸约 0.05m, 含 1631个壳元。Nastran 在计算时,要求流体的单元尺寸要大于结构单元的尺寸,

5、以保证流体模型界面上的结点都能够与结构单元的结点耦合。 在建立流固耦合模型时，先 建立空腔模型，然后细化薄壁结构模型。图1空腔网格图2结构网格2材料属性及单元属性定义结构的壳元材料和单元属性时，步骤和方式与一般Nastran使用过程一样。在Patran2005中，有定义流体材料的选项。在Material的Object下拉菜单中， 选择Fluid，定义空气的体积模量为141600 Pa,质量密度为1.29 kg/m3，无需定 义声速。3结构及空腔的模态分析分别对结构及空腔进行模态分析，求解器为SOL103,表1和表2给出结构及空腔的部分模态频率分析结果。结构的前 6阶模态频率为0,对应结构的刚体

6、 模态。空腔的第1阶模态频率为0,空腔内各点声压变化的幅值相同，相当于结 构模态中的刚体模态。图3给出结构的部分模态振型，图4给出空腔的部分声学 模态振型。表1薄壁结构的模态频率(Hz)阶数频率阶数频率7 28.891296.858 58.3713114.109 58.5914131.9310 62.88 *5134.1211 96.6716144.31表2空腔的声学模态频率(Hz)阶数频率阶数频率1 0 6481.302 235.557 483.853 367.618 577.974 368.049 580.955 463.1410607.23a) 28.89Hzb) 58.37Hz图3结构

7、的模态振型a) 235.55Hzb) 367.61Hz图4空腔的声学模态振型4流固耦合系统的模态分析在做结构与空腔的流固耦合分析时，必须保证结构单元的结点编号与空腔单 元的结点编号分开，即两类单元没有共用的结点编号。由于结构和空气在界面的相互作用，导致质量和刚度阵中引入了对角线外的 耦合项，对耦合系统进行模态分析时将出现复特征值。采用Nastran的复特征值(COMPLEX EIGENV ALUE)的直接法求解器 SOL107求解。输出.bdf文件，用记事本编辑该文件。在“ BEGIN BULK ”字段下面，手 工添加“ ACMODL IDENT ”字段即可。该文字作用是使两个模型中，坐标重

8、合的结点(即空腔结点与结构的结点)耦合在一起，保证它们在分析时一起运动， 从而完成声固耦合系统模型的建立。提交编辑后的.bdf文件到Nastran运算。表3给出流固耦合系统的模态频率，前 7阶模态频率为0。图5给出耦合系 统的结构模态振型图，图6给出耦合系统的空腔模态振型。表3流固耦合系统的模态频率(Hz)阶数频率阶数频率8 44.451392.569 55.7214109.9310 56.03 *5121.9311 66.5316124.6312 92.06 *7135.95a)44.45Hzb)55.72Hz图5耦合系统的结构模态振型a) 44.45Hzb) 55.72Hzc) 231.3

9、9Hzd) 378.06Hz图6耦合系统的空腔模态振型在考虑流固耦合后，结构非零模态频率由 28.89Hz成为44.45Hz,这一改变 十分明显，可见对于本文中的这一密闭系统，空气对结构的响应影响较大。表 1 和表3的数据对比后可知，表中耦合系统的模态频率接近于结构的模态频率， 可 见在低频段，以结构的变形为主。对于这一耦合系统，声学空腔通过边界条件与结构的振动相耦合， 共同决定 了空腔内部的声压和整个系统的模态特征，使系统的响应发生变化。图 6中，c、 d所示的耦合系统空腔的模态，对应图4的空腔模态，可见模态频率有稍微变化。5噪声的频率响应分析用一定频率范围内的白噪声激振力来激振系统，得到系

10、统对激励的响应特 性。固定结构的下底面，激励力加载于结构上底面中间位置。噪声频率范围为20500Hz，幅值是9.8牛顿，用SOL108求解器进行频率响应分析。图7给出空腔的声压分布，频率对应耦合系统声腔模态的频率 (图6c、d)。比较图6和图7后可知，声压的分布与模态振型基本相同， 从而说明空腔噪声响 应的分布与其模态振型密切相关。a) 240Hzb)384Hz图7频率响应声压的分布6结论通过对一个简单薄壁结构进行流固耦合建模分析，本文给出了用 Nastra n2005进行流固耦合声学分析的一般过程。分析结果表明：耦合系统并不是两个系统简单的叠加，二者之间的相互作用 会一定程度上改变原系统模态的频率和振型。图 6中，a、b所示结果表明，结 构在其模态频率处的振动，会引起空腔产生相应模式的振动。通过对流固耦