NVH仿真教程分析：流固耦合系统模态

目录
结构模型的建立
声腔模型的建立
结构，声腔模型的模态分析
流固耦合模态分析
结论

摘要

本次分享，对一个简单的模型进行流固耦合的模态分析，主要给大家演示如何使用Hypermesh与Nastran对流固耦合的结构进行模态分析，以及了解声腔对结构模态的影响。

流固耦合法被广泛地应用于声学和噪音控制领域，对空腔结构（比如汽车车室）进行流固耦合模态分析，可以了解到声腔对结构模态的影响，为研究耦合系统的声学特性提供可靠的理论参考。

结构模型的建立
本次分享采用一个壁厚为0.5mm，长宽高为100 x 50 x 50mm的长方体作为分析模型，模拟车身车室，命名为structure。单元采用片体shell单元，单元边长控制在5mm范围。本次分析给结构模型附上一般的钢材材料属性：弹性模量E=206800Mpa, 泊松比NU=0.3，密度RHO=7.85e-9ton/mm3
结构模型如下图所示：


声腔模型的建立
对于复杂的结构模型，例如车身车室的声腔模型，我们一般会采用Hypermesh中的一个专门划分声腔网格的小功能 "Acoustic Cavity Mesh" 进行建立，详细教程下次再作介绍 。但是对于今天我们这个长方体小模型，我们将按以下步骤建立声腔模型：
首先先创建一个新component的层，命名为cavity；
按照下图的指示，选择 3D后点击 teramesh 进行实体网格的划分；


进入到体网格划分界面，点击Tetranesh parameters，在红圈内选择User Controlled，然后把下面的Growth rate改成1.000，这个选项意义在于模型会以1.0的比例进行体网格的划分，即划分出来的体网格，从外到内每一层单元的大小将一致。下图给出两组不同Growth rate的体网格模型供读者比较。


1.0

1.5

返回，然后点选Tetra mesh，点击comps选择建立好的structure模型，选上split quads into trias表示建立三菱锥实体单元，其余设置如图所示，点击mesh进行体网格划分，声腔实体网格模型就完成了；


声腔网格模型出来后，还需要对其进行进一步设置。点击图示图标，把声腔模型单独显示出来全选上所有的节点，然后点击edit，进去设置界面把CD-1勾选，界面将出现-1的字样，点击return完成设置。这一步设置把声腔模型的节点设置为流固耦合的节点，为后续软件计算查找流固耦合的节点做标志；



声腔模型的材料选择流体材料类型MAT10，设置材料密度1.2e-12ton/mm^3，声速340000mm/s.


声腔模型单元属性选择PSOLID，附上材料cavity，勾选全积分FULL，FCTN选择PFLUID.


结构，声腔模型的模态分析
为了了解声腔模态与结构模态的相互影响，在这里我们先来分别单独计算出声腔和结构的自由模态。声腔的第一阶自由模态为刚体模态，声腔内各点的声压幅值相同；结构自由模态前6阶为6个自由度的刚体模态。要注意，在这里我们使用nastran求解器中EIGRL的方式进行模态提取，把声腔与结构模型分开单独导出提交计算即可。详细的求解过程与 "白车身自由模态分析” 相同，点击超链接回顾。下面直接给出声腔与结构各自的模态计算结果，由于分析的结构几何形状具有对称性，计算结果也同理具有对称性，所以你会发现有些计算出来的模态频率与振形结果相等或高度相似。



结构第7~11阶自由模态位移云图


声腔第2~5阶自由模态声压云图

流固耦合模态分析
接下来，我们来讨论一下声腔与结构相互作用下的模态分析。把结构与声腔同时导入到hypermesh中进行流固耦合模态分析的相关设置。

在做结构与空腔的流固耦合分析时，导入的声腔模型与结构模型必须保证结构单元的结点编号与声腔单元的结点编号独立分开，即两类单元没有共用的结点编号，否则软件识别编号出错无法计算；
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，所以此时我们采用Nastran的复特征值(Dir. Complex Eigenvalues)的直接法求解器SOL107求解，而不是像以前单独计算模态那样，采用SOL103求解。通过control card > SOL 进行更改；
提取模态的方式也不再使用EIGRL，而改为EIGC；


同样，loadstep设置中Type也更改为Complex Eigen(direct)，CMETHOD选上EIGC；

流固耦合分析要记得在control card里面选择ACMODL，设置耦合界面参数；提交到nastran计算。

计算完后，我们使用hyperview14.0打开结果文件.op2，此时计算出来的自由模态结果中，前7阶模态频率为0（结构6个刚体模态加声腔1个等声压模态），下图给出流固耦合的第8，9阶模态计算结果，动图的上方分别是第8阶流固耦合的结构模态（左边）与声腔模态（右边），下方为第9阶流固耦合的结构模态（左边）与声腔模态（右边）结果。


结构模态（左）声腔模态（右）
第8阶模态（上） 第9阶模态（右）

结构耦合前后的模态频率结果对比如下表所示：



总结
流固耦合后，结构出现局部模态的地方会导致声腔在该位置也出现局部模态；
对比一下耦合前后结构的模态频率结果，我们发现，考虑声腔耦合作用后，结构的模态频率都有明显的提高；
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。