NVH仿真教程-流固耦合系統(tǒng)模態(tài)分析

 本次分享，對一個(gè)簡單的模型進(jìn)行流固耦合的模態(tài)分析，有限元科技小編主要給大家演示如何使用Hypermesh與Nastran對流固耦合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以及了解聲腔對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響。

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 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，長寬高為100x50x50mm的長方體作為分析模型，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，我們一般會采用Hypermesh中的一個(gè)專門劃分聲腔網(wǎng)格的小功能“AcousticCavityMesh”進(jìn)行建立，詳細(xì)教程下次再作介紹。但是對于今天我們這個(gè)長方體小模型，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Tetraneshparameters，在紅圈內(nèi)選擇UserControlled，然后把下面的Growthrate改成1。000，這個(gè)選項(xiàng)意義在于模型會以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Growthrate的體網(wǎng)格模型供讀者比較。

左：1.0右：1.5

 返回，然后點(diǎn)選Tetramesh，點(diǎn)擊comps選擇建立好的structure模型，選上splitquadsintotrias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)幾何形狀具有對稱性，計(jì)算結(jié)果也同理具有對稱性，所以你會發(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)編號與聲腔單元的結(jié)點(diǎn)編號獨(dú)立分開，即兩類單元沒有共用的結(jié)點(diǎn)編號，否則軟件識別編號出錯(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角線外的耦合項(xiàng)，對耦合系統(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。ComplexEigenvalues)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controlcard>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ComplexEigen(direct)，CMETHOD選上EIGC；

 流固耦合分析要記得在controlcard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)果對比如下表所示：

 結(jié)論

 流固耦合后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部模態(tài)的地方會導(dǎo)致聲腔在該位置也出現(xiàn)局部模態(tài)；

 對比一下耦合前后結(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)簡單的疊加，二者之間的相互作用會一定程度上改變原系統(tǒng)模態(tài)的頻率和振型。