ansys声学分析

1、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： 声纳一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一结构的相互作用。非耦合

2、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。ANSY邻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

3、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PREP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-ANSYg?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

4、围 Fluid29和Fluid30单元的无限外壳。禾 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（PLANE42SOLID45）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FUU口事.KEY对与固体相接触的声单元，要确保使用 KEYOPT2） =0,缺省的设置允许流体- 结构的相互作用。UX,UY UZ和PRES乍为自由度引起单元矩阵的不对称.对所有 其它

5、的声单元，设置KEYOPT2） =1,致使带有PRES1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. 关于流体一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

6、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。材料属性一声单元需要密度（DENS）口声速（SON统为材料属性（FLUID129 和FLUID130只需要SON。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B （吸收系数）。值B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（PRXYE NUXY 。实常数一当用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52

7、）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，ANSY破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

8、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吉构单元进行网格划分。与PLANE42I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一结构接触面。流体的外层 用没有UX和UY自由度的FLUID29单元建模.在X0=Y0=O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 Menu>Preprocessor>Create Elements>Inf Acoustic5.4.1 步骤一：内部流体区域的网

9、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54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 Menu>Select Entities2.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 Menu> PreprocessorAttributes>Default AttribsMain Menu>Preprocessor>Real Constants无限单元对低频及

10、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人放置能产生准确的结果。这里人=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RADS少应为D/2+0.2人.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 Menu> PreprocessorCreate>Elements>Inf Acoustic图55在边界加入吸收单元5.4。 3步骤三：指定流体一结构接触面指定流体一结

11、构接触面：1 .选择界面上的所有节点。命令：NSELGUI: Utility Menu Select Entities2 .选择附属于这些节点上的流体单元。命令：ESELGUI: Utility Menu SelectEntities3 .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 Menu Preprocessor>Loads > Apply > Fluid Struct > OnNodes注意一在对分析进行求解前确保重选所有的节点。图5-6指定流体一结构界面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

12、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解器通过选择GUI途彳至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 Menu>Solution>New 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 Gui

13、de»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 Menu>Solution Analysis 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 Menu>Solution>Analysis Options这个选项决定ANSYS口何在打印输出（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 MenuSolutio

14、n>Analysis Options可以选择波前求解器（缺省），Jocobi共腕梯度（JCG）求解器，或不完全的 Cholesky共腕梯度（ICCG求解器。对大多数模型推荐使用 JCG<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 52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HARFR命令或GUI途彳全Main Menu>Solution Time/Frequenc>Freq &a

15、mp; Substeps在随后的载荷步中指定它.参见§ 5.5.5 节步 骤5.表51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ANSYSS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命令族菜单途径类位移（UX,UY,UZ）,压力 （PRES）约 束DMainMenu>Preprocessor>-Loads->Apply>Displacement or Potenti

16、alMain MenuSolution>Apply Displacement or Potential力（FX, FX,FZ）,力矩（MX,MY,MZ）,流体载荷力FMain MenuPreprocessor>-LoadsApply>Force/MomentMain Menu>Solution Loads-Apply>Force/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 typeMainMenu>Solution&

17、gt;Apply>load type向旋转等惯 性 载 荷ACEL,OMEG ADOMEGA, CGLQ C CGOMEGA, DCGO IRLFMain Menu>Preprocessor Loads >Applyload typeMMain MenuSolution>Apply>load 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

18、线施加位移载荷:Main Menu> SolutionApplyDisplacement>On Lines用GUI途径对载荷进行列表：Utility Menu>List Loadsload 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52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DKDKDELEKLISTDTRAN实体模型线DLDLDELEDLLISTDTRAN实体模型面DADADELEALISTDTRAN有限元节点DDDELEDLISTDSCALE:DCUM力力矩实体模型关键

19、 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SFLSFLDELIESFLLISTSFTRANSFGRAD实体模型面SFASFADEL5FALISTSFTRANSFGRAD有限元节点SFSFDELESFLISTSFSCALESFCUMSFGRAD有限元单元SFESFEDEL5FELISTSFSCALSFBEAMSFCUMSFFUNSFGRAD惯性ACEL CGLOCCGOMGDCGOMOMEGA卜DOMEGAIRLF卜5。5。4.3载荷类型位移（UX,UY, UZ）和压力（PRES这些是DOF（1由度）约束

20、。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：标记来指定流动载荷：命令:F,FLOWGUI: Main Menu>SolutionApply一Structural Force/MomentOnNodes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 M

21、U （边界导纳或吸收系数）。流体-结构交互作用标记（FSI）这表示模型的流体一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53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HARFRMain MenuSolution Load Step QOpts Time/Frequenc> Freq & Substeps一般选项谐波数NSUBSMain Menu > Solution -Load Step OptsTime/Frequenc>Freq & Substeps阶跃载荷或 斜坡载荷KBCMain Menu&

22、gt;Solution>-Load Step OptsTime/Frequenc> Freq & Substeps输出控制打印输出控 制OUTPFMain Menu>Solution Output Ctrls Solu Printout数据库和结 果文件输出OUTREMain Menu>Solution Output Ctrls>DB/ Results File结果的外推ERESXMain Menu>Solution Output Ctrls>Integration 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

23、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 NSUBS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 KB0T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。5.6。 5.3 输出控制如果在打印输出

24、文件中要包括任何结果数据用OUTP威其相应的GUI途径（Jobname OUT。OUTRE©其 GUI途径控制2果文件（Jobname.RST）中的数据。 ERES双其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 OUTRE脐FRE加 项设置为ALL （或1）.5。5。6步骤六：备份数据库用Utility Menu FileSave as或SAV瑜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 .

25、（要恢复模型，重新 进入 ANSY和执行 RESUME令或选择 Utility Menu>File>Resume.）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 Menu>Solution Solve Current LS命令：FINISHGUI: Main Menu > Finish5。6查看结果ANSY邻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：?初始数据一

26、节点压力- 节点位移?得出数据一节点和单元压力梯度- 节点和单元应力一单兀力- 节点反力可用POST就POST2而看此信息。5.7流体一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：明印十瓦版卜忸（D慢kk/恰打也卜外自1r营（2）R是一个耦合矩阵代表与流体一结构界面（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®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

27、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：一 M om国(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

28、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 ） +00 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!ac

29、oustic 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,

30、0.254, 0, 0。26035, 90CYL4,0, 0, 0O 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 4,1,1MSHKEY1MSHAPE,0,2D mapped quad meshAMESH 1! select , assign attribute to and mesh area 2ASEL,S,AREA 2AATT 2,12,0LESI

31、ZE, 5, , , 16, 1LESIZE, 7, ,16,1LESIZE, 6,5LESIZE,8, , , 5MSHKEY0MSHAPE0, 2D! mapped quad meshAMESH,2axisaxis! reflect quarter circle into semicircle about x nsym,x, 1000, all ! offset node number by 1000 esym,1000 all! reflect semicircle into full circle about ynsym, y,2000 , all! offset node numbe

32、r by 2000esym ,2000 allNUMMRG,ALLmerge all quantities! modify outer 2 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 f

33、luid-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 0harfrq,34 。 , 38.nsubst,100kbc,1SOLVEFINISH/post26plcplx , 0nsol,2 , 1,u , x,d1uxstor

34、econjug , 3, 2prod,4,2 , 3sqrt,5 , 4* get,uxmx , vari,5,extrem,tmax/COM/COMExpected Result :/COM/COM The 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。/b

35、atch,list/com, Harmonic Analysis - Room Acoustics/PREP7/TITLE,Room Acoustic AnalysisANTYPE,HARMET, 1,30 ! Acoustic elements in contact with walls and vibrating surfaceET,2, 30, , 1Acoustic elements in interior (not in contact with walls )! Set parameters for mesh generationXDIV=29 Number of division

36、s 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

37、, 3, 7,1L, 4, 8, 1CIRC 3, RAD 7, 2,90,2ADRAG,5,6, , 3PIO4=ATAN(1)LENC=CO SPIO4)LENC=LENCRADHGTC=HGTLENCLENC=LEN-LENCK,15, , HGTCM, 16, , HGTC-1K,17 LENCK,18,LENC, ,-1L,1 , 17,XDIVN, 10,15,XDIVO, 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 ,

38、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 coeffici

39、ent of the walls !(“ Beta” should be between 0- 1 )MP DENS 2,2.35E-3MP SONC,2,110Q 0MP MU,2, 0o 70! (Beta) absorption coefficient of! the absorbing material on the floor! ("Beta " sh ould be between 0 -1)MP DENS,3 2.35E-3MP SONC,3 1100o 0MP,MU 3,0 o 0!(Beta) zero absorption coefficient for interiorelementsNSEL,S