NVH模擬教程-流固耦合系統模態分析

05-13

2017-10-9汽車NVH模擬

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使用軟體：

前處理：Hypermesh 14.0

求解器：Nastran 2017

後處理：Hyperview 14.0

摘要
結構模型的建立
聲腔模型的建立
結構，聲腔模型的模態分析
流固耦合模態分析
結論

摘要本次分享，對一個簡單的模型進行流固耦合的模態分析，主要給大家演示如何使用Hypermesh與Nastran對流固耦合的結構進行模態分析，以及了解聲腔對結構模態的影響。

流固耦合法被廣泛地應用於聲學和噪音控制領域，對空腔結構（比如汽車車室）進行流固耦合模態分析，可以了解到聲腔對結構模態的影響，為研究耦合系統的聲學特性提供可靠的理論參考。

結構模型的建立本次分享採用一個壁厚為0.5mm，長寬高為100 x 50 x 50mm的長方體作為分析模型，模擬車身車室，命名為structure。單元採用片體shell單元，單元邊長控制在5mm範圍。本次分析給結構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

結構模型如下圖所示：

聲腔模型的建立對於複雜的結構模型，例如車身車室的聲腔模型，我們一般會採用Hypermesh中的一個專門劃分聲腔網格的小功能 "Acoustic Cavity Mesh" 進行建立，詳細教程下次再作介紹。但是對於今天我們這個長方體小模型，我們將按以下步驟建立聲腔模型：

首先先創建一個新component的層，命名為cavity；
按照下圖的指示，選擇 3D後點擊 teramesh 進行實體網格的劃分；

進入到體網格劃分界面，點擊Tetranesh parameters，在紅圈內選擇User Controlled，然後把下面的Growth rate改成1.000，這個選項意義在於模型會以1.0的比例進行體網格的劃分，即劃分出來的體網格，從外到內每一層單元的大小將一致。下圖給出兩組不同Growth rate的體網格模型供讀者比較。

左：1.0 右：1.5

返回，然後點選Tetra mesh，點擊comps選擇建立好的structure模型，選上split quads into trias表示建立三菱錐實體單元，其餘設置如圖所示，點擊mesh進行體網格劃分，聲腔實體網格模型就完成了；

聲腔網格模型出來後，還需要對其進行進一步設置。點擊圖示圖標，把聲腔模型單獨顯示出來全選上所有的節點，然後點擊edit，進去設置界面把CD-1勾選，界面將出現-1的字樣，點擊return完成設置。這一步設置把聲腔模型的節點設置為流固耦合的節點，為後續軟體計算查找流固耦合的節點做標誌；

聲腔模型的材料選擇流體材料類型MAT10，設置材料密度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，FCTN選擇PFLUID.

結構，聲腔模型的模態分析為了了解聲腔模態與結構模態的相互影響，在這裡我們先來分別單獨計算出聲腔和結構的自由模態。聲腔的第一階自由模態為剛體模態，聲腔內各點的聲壓幅值相同；結構自由模態前6階為6個自由度的剛體模態。要注意，在這裡我們使用nastran求解器中EIGRL的方式進行模態提取，把聲腔與結構模型分開單獨導出提交計算即可。詳細的求解過程與 "白車身自由模態分析」相同，點擊超鏈接回顧。下面直接給出聲腔與結構各自的模態計算結果，由於分析的結構幾何形狀具有對稱性，計算結果也同理具有對稱性，所以你會發現有些計算出來的模態頻率與振形結果相等或高度相似。

結構第7~11階自由模態位移雲圖

聲腔第2~5階自由模態聲壓雲圖

流固耦合模態分析接下來，我們來討論一下聲腔與結構相互作用下的模態分析。把結構與聲腔同時導入到hypermesh中進行流固耦合模態分析的相關設置。

在做結構與空腔的流固耦合分析時，導入的聲腔模型與結構模型必須保證結構單元的結點編號與聲腔單元的結點編號獨立分開，即兩類單元沒有共用的結點編號，否則軟體識別編號出錯無法計算；
由於結構和空氣在界面的相互作用，導致質量和剛度陣中引入了對角線外的耦合項，對耦合系統進行模態分析時將出現復特徵值，所以此時我們採用Nastran的復特徵值(Dir. Complex Eigenvalues)的直接法求解器SOL107求解，而不是像以前單獨計算模態那樣，採用SOL103求解。通過control card > SOL 進行更改；
提取模態的方式也不再使用EIGRL，而改為EIGC；
同樣，loadstep設置中Type也更改為Complex Eigen(direct)，CMETHOD選上EIGC；

流固耦合分析要記得在control card裡面選擇ACMODL，設置耦合界面參數；
提交到nastran計算。

計算完後，我們使用hyperview14.0打開結果文件.op2，此時計算出來的自由模態結果中，前7階模態頻率為0（結構6個剛體模態加聲腔1個等聲壓模態），下圖給出流固耦合的第8，9階模態計算結果，動圖的上方分別是第8階流固耦合的結構模態（左邊）與聲腔模態（右邊），下方為第9階流固耦合的結構模態（左邊）與聲腔模態（右邊）結果。

結構模態（左）聲腔模態（右）

第8階模態（上）第9階模態（右）

結構耦合前後的模態頻率結果對比如下表所示：

結論

流固耦合後，結構出現局部模態的地方會導致聲腔在該位置也出現局部模態；
對比一下耦合前後結構的模態頻率結果，我們發現，考慮聲腔耦合作用後，結構的模態頻率都有明顯的提高；
耦合系統並不是兩個系統簡單的疊加，二者之間的相互作用會一定程度上改變原系統模態的頻率和振型。

拓展閱讀：

白車身(BIW)自由模態分析

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