ANSYS流固耦合水下航行器在水中的固有频率

william

Acoustics optimization design for underwater structure based on ANSYS

Finite cylindrical shells with stiffener are major structure of cabin on the submerged or underwater vehicles. The noise of such structures root in the shell vibration that drove by the inner engine, when coupled with the liquid medium, the noise will affect the performance of the vessels badly. Thus it has important theoretic value and practicality to research sound-vibration characteristic of the finite cylindrical shell with stiffener.

Stability and intensity of structure are commonly top-priority in the structure design. When a noise problem has been found in the structure, the common way to decrease vibration is adding damping or vibration isolating because of much restriction in the modification of structure. The reasonable way of the acoustics design in the structure is to consider the acoustics characteristic of the structure in the forepart, and make acoustics characteristic and other characteristics all are in good way.

基于有限元方法的结构声学振动分析原理及应用

刘 义

有限长加肋圆柱壳体是潜艇、鱼雷及其它各种空中或水下航行器舱段的主要结构形式。这些航行器的结构噪声来源于内部机械激励壳体振动并带动周围流体介质产生声辐射。

水下航行器壳体主要是圆柱壳体，这种壳体的厚度比其他尺寸(如长度、曲率半径等)小得多，称为薄壳。由壳体厚度中点构成的曲面称中曲面。当薄壳受载荷而发生微小的变形时，与薄板相似，也可以忽略沿壳体厚度方向的挤压变形和应力，且认为符合直法线假设，即薄壳中曲面法线上各点在变形过程中仍保持在变形后中曲面的法线上。但是，壳体变形时，中曲面不但发生了弯曲，而且也发生了面内的伸缩变形，这一点与薄板是不同的。薄壳弯曲时，中曲面的曲率发生了改变，产生了横截面(通过法线的截面)上的正应力和平行于中曲面的剪应力。这些应力在截面内合成为弯矩和扭矩。这些弯曲的内力，可合称为弯矩。薄壳变形时，中曲面也发生了面内的伸缩变形，对应有中曲面内的正应力和剪应力，可合称为中面力或膜力。薄壳的膜力与弯矩是互相影响的，它们共同承担着壳体上承受的外载荷。由于壳体变形和承力的复杂性，再加上本身几何形状的复杂性，使壳体结构的分析成为力学中相当困难的一类问题。在一些不同的假设条件下，可以列出各种控制方程，但是只有在很特殊的情况下，才能求得其位移和应力的解析解，而且解的形式一般也是相当繁杂而不便于工程应用的。

采用有限元方法分析壳体，可以将整个结构分成很多单元，当单元很小时，可以把每个单元近似为平板、折板或某种常曲率的壳块等。对于这种几何形状比

较简单的单元，其变形与应力分析就方便多了。如取为平板单元，则平板的弯曲和面内变形互不影响，可视为平板弯曲与平面问题的叠加。如取为某种特定的曲壳块单元，一方面简化了单元的几何性质(如为圆柱壳、二次曲面等)，另一方面由于曲壳很小，接近于平板，也可采用比一般壳体理论更为简化的扁壳理论，进行单元计算。因此，对于单元分析来说，往往可以不涉及复杂的壳体理论。

柱形壳结构具有互相平行的直母线，可沿母线方向及垂直于母线的方向把柱壳划分成一些四边形壳块，如图2-1所示。当网格足够密时，小四边形柱壳块就足够扁平，可用其4个顶点组成的矩形平板近似它们。用这些矩形平板单元拼成的折板结构，可以近似代替原来的光滑壳结构。直观看来，当单元足够小时，这种近似结构是能够趋近于真实结构的。

用有限元法求解结构振动与声场耦合问题时，需要在结构与流体接触的表面部分构造一个流体结构，对结构和流体都进行有限元网格划分，分别选定合适的位移和声压插值函数，用标准的有限元方法建立弹性壳体和流体系统的有限元动力方程，然后进行数值求解计算。

使用 ANSYS 进行结构振动及声学计算

有限元软件ANSYS对于结构振动及结构声学性能的分析正是基于上一节介绍的

原理。ANSYS软件包用有限元法计算水中结构振动和声场时，是利用有限区域截断模拟无限区域，把最外层的流体边界上的单元表面的声阻抗取为实数，即远场情况来模拟无限声场。

在结构振动和声学计算分析主要是要使用前处理分析模块(PREP7)和振态分析、谐响应分析等进行计算求解，然后在后处理分析模块(POST1和POST26)中进行结果后处理。

ANSYS 声学计算算例

脉动球分析实例

对于半径为0r，球表面法向振速为v 的脉动球产生的辐射声场，距离球心r 处 质点的辐射声压)(r的精确解为




在本例的计算中，取脉动球的半径 r0= m，表面振幅为0.02m，圆频率分别为 50、100、150，则表面振速幅值分别为3m/s。流体介质的密度3/1000mkg=ρ声速smc/1460=。水体远场边界取为5m。脉动球的轴对称有限元所示，个四边形流体fluid29单元，30个声吸收fluid129单元。，表面振幅为0.02m，圆频率分别为 1、2、 ， 共有 900 个四边形流体fluid29单元，30个声吸收fluid129单元




下表给出了脉动球表面的声压复值的解析解和有限元计算结果。解析解和有限元解十分接近，表明了脉动球的有限元建模和分析计算精度是可靠的




水下圆柱壳体的建模与声学分析

使用有限元软件ANSYS进行计算和分析时水下环肋圆柱壳体有限元模型的建立及结构声学分析主要分为以下一些步骤：

1.建立壳体的实体模型(包括有圆柱壳体的建立，给圆柱壳体加环肋);

2.圆柱壳体外部流体介质的生成;

3.对圆柱壳体和流体介质进行有限元

4.设置流固耦合单元，并设置外部声场边界条件;

5.在求解器中进行振动模态求解和受激励的谐响应求

6.求解结果进行后处理分析。，

1.建立壳体的实体模型

这个步骤主要是在预处理模块(PREP7)中完成

首先是根据要建立的实体模型，进行单元的选取和定义这些单元的物理属 性，

水下圆柱壳体半径与壳体壁厚的比超过了20，根据ANSYS中单元的使用原则可以选用Shell63号薄壳单元，这种单元的有限元计算原理在前面已经介绍;环肋选用梁单元，ANSYS提供了多种梁单元的结构形式，其中Beam188号梁单元符合作为壳体加强筋及肋骨的使用，所以在水下圆柱壳体环肋选用T的Beam188号梁单元进行建模;而流体介质根据分析中用途的不同要定义两种，一种是流体介质中的单元Fluid30号流体介质单元，一种是流体与结构接触的流固耦合面的单元选用Fluid30号流固耦合单元，在实际建模操作中还需要定义一种用于平面声场的29号单元(在计算中未用到，但在建模中需使用);共需要定义五种单元。Shell63壳体单元与Beam188梁单元为同一种材料，所以物理属性相同。而Fluid30流体介质单元与Fluid30流固耦合单元物理属性也相同，及在分析中只需要定义两个物理属性即可。具体的使用APDL命令定义为：

/prep7 !进行预处理模块

et，1，30， !定义1号单元为Fluid30 流固耦合单元

et，2，29 !定义2号单元为Fluid29平面流体单元

et，3，30 ， ，1 !定义3号单元为Fluid30流体介质单元

et，4，63 !定义4号单元为Shell63壳体单元

et，5，188 !定义5号单元为Beam188梁单元

r，4，0.002 !定义4号单元的厚度为2㎝

mp，dens，4，7800 !定义4号物理属性包括有密度

mp，ex，4，2.1e11 !杨氏模量、

mp，nuxy，4，0.3 !泊松比

mp，sonc，1，1460 !设置水中声速

mp，dens，1，1000 !设置流体密度

sectype， 1， beam， T， ! 选取T型梁

secoffset,，orig !设置梁的方向

secdata，0.04，0.05，0.002，0.02，0，0，0，0，0，0 、

所建立的圆柱壳体的参数：圆柱长为 50 ㎝，半径为 25 ㎝，壳体的壁厚为 2 ㎝，

cyl4，0，0，0.25，，5 !形成圆面

k，9，0，0，0 ! 定义原点

k，10，0，0，0.5

lstr，9，10 !通过原点作直线

adrag，5，6，7，8，，，9 !通过放样形成圆柱

wpoff，0，0，0.1

asel，s，，，2，5

asbw，all，，， !移动工作平面与选取的侧面相切

…… !重复上面操作，形成四个环肋面

wpoff，0，0，-0.4 !工作平面回到原点位置上

k，31，0.2，0，0.1 !定义环肋的方向点

lsel，s，，，20 !选择要划分为环肋的线段

latt，4，5，5，，31，40，1 !定义线段物理属性

lesize，20，，，6 !划分数目

secnum，1

lmesh，20 !划分线段

将上述的操作完成以后，壳体的模型基本完成,具体结构如图示

图 2-6 环肋圆柱壳体模型图

2.圆柱壳体外部流体




圆柱壳体外部的流体介质主要通过设置好的平面流体单元沿指定的线段进行放样，形成立体的流体介质单元。这里取水体为直径5m的球体，在球体的外边界处声压设置为0(全吸收情况)，有实例表明[12] 这样的近似处理对结构耦合振动的计算影响不大。主要的操作及命令为：

type，2 ! 选取第二种单元

lsel，s，，，1，4 !选取线段

lesize，all，，，10 !线段划分数目

lesize，all，，，6

amesh，1 !将通过工作平面的面 1 进行划分

esize，0.1，0 !选取沿面放样的网格大小

mat，1 !定义放样的形成单元的物理属性

vdrag，1，，，，，，9 !进行放样形成流体介质

3.对实体进行有限元网格划分

壳体环肋的有限元划分在壳体建模后就完成，因为在后面划分十分困难;流体介质的划分在建模时同步就完成了;这部分工作现在主要是对壳体进行网格的划分，选取所有的壳体的面，定义好物质属性和物理常数，选取网格划分的方法和精度，完成对壳体的划分。

元模型如图2-7 示：

流固耦合单元和外部声场边界的设置

网格划分好以后，根据分析的要求要在结构与流体之间设置流固耦合单元， 它是将结构与流体联系在一起的单元，是结构到流体的过渡。它的设置主要有以下要求：必须是设置在所有结构与流体接触的单元上;只能设置一层这样的单元。流固耦合单元是将Fluid30单元的Keyopt(2)设置为0即可，为上面定义的第一种单元。

外部声场的边界条件的设置主要是选取流体介质球体的外部所有的面，在这些面上加载并设定声压为0即可 模拟远场条件

asel，s，6，9 !选择壳体面

asel，a，，，2，5

asel，a，，，14，17

nsla，s，1 !选取面上所有节点

esln，s，0， !选取与这些节点相邻 的所有元素

esel，r，type，，3 !在所选的元素中选取所有1号单元

emodif，all，type，1 !强制转换为3号流固耦合单元

sf，all，fsi

………

asel，a，，，51，52 !选取最外层流体介质面

nsla，s，1 !选取面上所有节点

d，all，pres，0.0 !将声压值设为0

5.在求解器中进行求解计算

依据上面的参数建立号分析的有限元模型，进入 ANSYS 求解运算对模型进行振动模态分析

有限元模型共有元素为20284个FLUID30的流体介质单元;320个FLUID30流固耦合单元;272个SHELL63壳体单元;96个BEAM188梁单元。

利用

/solu !进入求解运算器

antype,modal !进入模态分析

modopt,unsym,10,-100,, !分析方法为不对称法和频率范围

mxpand,10,1,1000 !模态扩展

solve !求解

为了便于分析及进行比较，求解出(1)同样尺寸的加肋圆柱壳体在真空中 的振 动特性(2)同样尺寸的不加肋圆柱壳体在水中的振动特性，通过数据的比较可以分析圆柱壳体在水中振动的一些特性。通过建立相应的有限元模型，再利用ANSYS计算求解，求解环肋圆柱壳体 有限元模型的前十阶模态频率结果为表1：




在有限元壳体模型上加激励对圆柱壳体在受激励作用下的振动特性进行分 析。

其APDL命令流程序为：

set，list !将结果列表

f，…，Fz，1 !在壳体某节点上施加 1 牛的力

f，…，Fz，1 !在壳体另一节点上施加1牛的力

harfrq,10,500 !频率范围在10到500赫兹之间

fini

/solu !再次进入求解模块

antype，harmic !选择进行谐分析

hropt，full !选择分析方法

harfrq，10，300 !强制分析频率区

kbc，1 !载荷变化方式

solve !进行求解
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6ff3146301012ylr.html