濕模態(tài)的概念

通常我們所說的結(jié)構(gòu)模態(tài)，都是在真空中的結(jié)構(gòu)模態(tài)，不考慮周圍流體的影響下的模態(tài)，這種模態(tài)可以稱為“干模態(tài)”，即不受流體影響的模態(tài)。

而實際中，我們通常計算的結(jié)構(gòu)都是被流體“包圍”著，例如在空氣中行駛的汽車，周圍被空氣包圍著，在水中行駛的船，周圍被水包圍著，或者部分被水包圍著。

在不考慮車身周圍的空氣的影響下，我們計算的車身模態(tài)都是干模態(tài)，因為空氣的密度比較小，空氣對車身模態(tài)的影響比較小，我們可以把車身的干模態(tài)當(dāng)成車身在空氣中的濕模態(tài)，即忽略空氣的影響，誤差也不會太大。

而在水中行駛的船，由于水的密度比較大，水對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響比較大，如果忽略水的影響，那么計算出來的模態(tài)(干模態(tài))就與實際的船的模態(tài)誤差就很大，此時就必須考慮水的影響，計算濕模態(tài)。

濕模態(tài)分析實際上是在單向流固耦合計算基礎(chǔ)上進行的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。本文以流體作用下彎曲管道為例，首先利用ANSYS Fluent及ANSYS靜力分析模塊對其進行單向流固耦合計算，然后在此基礎(chǔ)上開展彎曲管道在流體作用下振動模態(tài)分析。

單向流固耦合計算

工業(yè)管道系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)彎管。流體介質(zhì)流經(jīng)彎曲管道時，管壁承受流體賦予的壓力，不均勻的壓力分布會對管道產(chǎn)生額外的應(yīng)力。

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計算思路

眾所周知，CFD計算的目的是為了獲取計算空間中的壓力、速度、溫度等物理量分布，而結(jié)構(gòu)有限元計算的目的是為了獲取結(jié)構(gòu)件上應(yīng)力、應(yīng)變和位移等物理物理量。單向流固耦合計算的基本思路為：利用CFD軟件計算壁面上壓力分布，并將壓力值作為載荷加載到固體構(gòu)件上，利用有限元軟件計算固體應(yīng)力應(yīng)變。

單向流固耦合計算的數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流程

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計算模型

計算幾何模型如圖所示。

圖2 計算幾何模型

圖3 DM中創(chuàng)建的幾何模型(既包含流體，也包含固體)

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流體計算設(shè)置

雙擊B3單元格進行流體網(wǎng)格劃分。在mesh中進行邊界命名，如圖4所示。采用掃描方式進行網(wǎng)格劃分，采用網(wǎng)格尺寸為5mm，生成的流體計算網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 邊界命名

圖5 流體計算網(wǎng)格

返回至FLUENT中進行流體計算設(shè)置。

圖6 采用壓力基求解器

圖7 采用Realizable k-e湍流模型

圖8 選擇water-liquid為工作介質(zhì)

圖9 設(shè)置計算域中材料介質(zhì)為water-liquid

圖10 設(shè)置入口速度2m/s

圖11 設(shè)置出口類型為outflow

圖12 初始化設(shè)置

圖13 設(shè)置迭代200步求解計算

圖14 壁面壓力分布

圖15 切面上速度分布

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固體計算設(shè)置

返回至工程面板，雙擊C3單元格進入固體網(wǎng)格設(shè)置模塊。

網(wǎng)格劃分過程此處不詳述，需要注意的是，盡量保證固體網(wǎng)格與流體網(wǎng)格尺寸相當(dāng)。生成網(wǎng)格如圖16所示。

圖16 固體計算網(wǎng)格

圖17 插入壓力

按幾何對應(yīng)關(guān)系插入流體壓力。

設(shè)置管道兩頭為固定約束，如圖18所示，進行求解計算。

圖18 約束定義

圖19 應(yīng)力分布

模態(tài)分析

濕模態(tài)分析實際上是在單向流固耦合計算基礎(chǔ)上進行的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。下面來介紹一下彎曲管道在流體作用下振動模態(tài)分析。

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干模態(tài)計算

先考慮干模態(tài)分析(不考慮流體在管道中的流動)。計算流場如圖20所示。去掉以上流體計算，只利用固體計算網(wǎng)格。

圖20 模態(tài)計算

雙擊C5單元格進入模態(tài)分析模塊。點擊Modal節(jié)點下Analysis Settings子節(jié)點，在下方的屬性欄設(shè)置框中設(shè)置Max Models to Find為6，尋找模型的6階模態(tài)。如圖21所示。

圖21 設(shè)置模態(tài)階數(shù)

計算得到各階頻率如圖22所示。

圖22 各階頻率

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濕模態(tài)計算

數(shù)據(jù)流程如圖23所示。

圖23 濕模態(tài)數(shù)據(jù)流程

計算模型：鼠標(biāo)雙擊D5單元格進入模態(tài)分析設(shè)置。

如圖24所示，點擊Static Structural，在下方屬性欄設(shè)置中選擇Large Deflection為On，開啟大變形設(shè)置，這樣才能在計算模態(tài)過程中考慮到力的作用。

圖24 開啟大變形

從圖25所示可以看出，軟件自動設(shè)置為預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

圖25 模型樹菜單

點擊Modal樹菜單下節(jié)點Analysis Settings，在屬性框中進行如圖26所示設(shè)置。

圖26 設(shè)置模態(tài)搜索參數(shù)

進行求解計算，計算結(jié)果如圖27所示，可以看到每一階的頻率。

圖27 模態(tài)計算結(jié)果

可以選擇所有的模態(tài)頻率，點擊右鍵，選擇菜單Create Mode Shape Results，如圖28所示查看各階振型。

圖28 模態(tài)計算結(jié)果

各階振型如下圖所示。

圖29 各階模態(tài)振型

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