ABAQUS聲學
關注創建者：測不準原理 創建時間：2020-04-23
ABAQUS聲學的視頻教程
ABAQUS聲學單元模擬庫水作用
采用ABAQUS聲學單元模擬庫水。 （1）采用聲學單元模擬庫水，建立了庫水-大壩模型，此方法可直接應用于二維、三維工程，不需要編程。 （2）講解了聲學單元參數及邊界條件的設置。 （3）采用ABAQUS創建了周期性荷載，如sin(πt)。 （4）提取了動水壓力極值，并與理論解比較，吻合較好。
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ABAQUS聲學的實例教程
ABAQUS聲學問題.pdf
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（2）對聲學，將聲學弱方程近似為有限元方程后得到
令權重函數采用同樣的形函數插值
代入上式得到
由于是任意的，所以得到
其中
和P僅包括未知量節點聲壓Pi，上式即是一個只包括Pi的代數方程組。
最后再聊一下聲學邊界情況，由聲學邊界條件：
同時，Abaqus和iSolver的聲學原始方程整體都除了一個，這樣邊界就只有加速度了。即聲學邊界上的載荷可以由從邊界指向聲場內部的法向加速度（inward volume acceleration）確定，所以在Abaqus或者iSolver中，都采用了該法向加速度作為聲學分析的邊界載荷。
2.4 基于iSolver結構流程的聲學有限元分析實現
一般情況聲學方程都是線性代數方程組，不需要迭代就可以求出，但因為iSolver求解器已有增量迭代法的結構求解流程，我們程序實現中還是按迭代來求解，這樣我們只要加入了聲學單元，同時求解聲學單元的剛度陣、質量陣及非平衡力，只不過一次迭代就收斂結束了。
為和Abaqus的聲學方程一致，在iSolver實際程序代碼中，我們是將原始方程*負號，表示為：
1.5 聲學有限元的卡車噪聲模型驗證
1.5.1 模型介紹
該模型分析卡車受到地面對輪胎的激勵導致的噪聲分析。該模型從鄭鈞Adam老師的Abaqus線性動力&噪音分析詳解(理論及實作) Abaqus 線性 動 力 & 噪音分析詳解 ( 理論及實作 ) 視頻教程 _ 培訓課程 - 技術鄰 (jishulink.com) 下載獲得。
由于卡車為對稱模型，所以只用建一半模型，聲音到了對稱面將全反射，但和結構分析不同，聲學有限元邊界默認全反射，所以在此對稱面無需任何額外設置。腔體內為空氣材料，全域劃分為四面體聲學網格，供11681個單元。
展開 我們關注CAE中的結構有限元，所以主要選擇了商用結構有限元軟件中文檔相對較完備的Abaqus來研究內部實現方式，同時對某些問題也會涉及其它的Nastran/Ansys等商軟。為了理解方便有很多問題在數學上其實并不嚴謹，同時由于水平有限可能有許多的理論錯誤，歡迎交流討論，也期待有更多的合作機會。iSolver包括完整的前后處理和有限元求解器，功能如下，有興趣可直接在下面網址下載：
百度網盤鏈接: https://pan.baidu.com/s/10d6jHdZ01SBY2JxiS6bffw 提取碼: 6fdf
2 聲學分析
Abaqus雖然是結構計算軟件，但如今隨著系統的復雜，結構與其它物理場的耦合也越來越頻繁，因此，Abaqus也將自己的計算能力往其它物理場擴展，其中，熱學、聲學、流體和電磁學等都是Abaqus多物理場的擴展的典型應用。熱學主要計算熱膨脹時結構應力的變化和熱傳導等現象，本身和結構關系密切，所以Nastran、Abaqus等結構軟件都會包括熱分析功能；流體由于達索已經收購了業界兩款最好的基于最近大熱的LBM粒子算法的商業軟件PowerFlow和Xflow，可能處于產品線的發展考慮，把基于有限元方法的Abaqus/CFD模塊直接停止開發了，但保留了Abaqus中的CEL模塊，專門處理流固耦合問題；而聲學模塊主要處理聲腔內的模態分析和聲傳播問題；電磁模塊至今不涉及，在此不討論了。這幾個多物理場的擴展每一項都需要單獨的其它物理場的專業知識和結構專業的融合，也許大家都和我們一樣只熟悉結構的算法，對陌生的其它專業總覺得非常難，但其實靜下心來系統學習一下，其它專業的內容并不是想象的那么困難，結構有限元學好了，其它專業都是一通百通的。譬如下面的聲學有限元理論公式我們就可以完全按照結構有限元的流程推導。
展開 網格劃分
首先要確保把單元種類選為聲學單元如AC3D20，這里選用二次單元是經過一番比較的。使用不同單元類型與網格密度的結果（聲壓POR最大幅值）比較如下表：
從表中可以看出，二次單元的結果比較穩定，而一次單元的結果受網格密度的影響非常大，網格越密越接近二次單元的結果，但即使用50px的網格，仍有較大誤差，因此實際工程計算中最好采用二次單元。本問題求解頻率300Hz，也就是波長約1m，這樣當單元尺寸為125px即波長的1/20時，計算結果的精度就比較理想了。
9. 結果后處理
首先必須注意某些結果量只有幅值才有意義，比如聲壓POR，計算結果是一個復數值，缺省的輸出是它的實部，沒多大意義，應改成幅值輸出。
主要的輸出量如下：
POR，聲壓
GRADP，聲壓梯度
SPL，聲壓級
文中例子的計算結果如下
10. 討論
Abaqus具備了基本的聲學有限元分析能力，可以求解如下問題：
--求解固體流體區域的聲傳播問題，考慮聲吸收和聲耗散。
--可以求解聲固耦合問題，聲固界面容易創建，固體計算較為專業。
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文章來源：CAE之家
展開 網格劃分
首先要確保把單元種類選為聲學單元如AC3D20，這里選用二次單元是經過一番比較的。使用不同單元類型與網格密度的結果（聲壓POR最大幅值）比較如下表：
從表中可以看出，二次單元的結果比較穩定，而一次單元的結果受網格密度的影響非常大，網格越密越接近二次單元的結果，但即使用50px的網格，仍有較大誤差，因此實際工程計算中最好采用二次單元。本問題求解頻率300Hz，也就是波長約1m，這樣當單元尺寸為125px即波長的1/20時，計算結果的精度就比較理想了。
8. 結果后處理
首先必須注意某些結果量只有幅值才有意義，比如聲壓POR，計算結果是一個復數值，缺省的輸出是它的實部，沒多大意義，應改成幅值輸出。
主要的輸出量如下：
POR，聲壓；
GRADP，聲壓梯度；
SPL，聲壓級。
上文中例子的計算結果如下：
9. 應用
Abaqus具備了基本的聲學有限元分析能力，可以求解如下問題：
固體流體區域的聲傳播問題，考慮聲吸收和聲耗散。
聲固耦合問題，聲固界面容易創建，固體計算較為專業。
來源：CAE技術資訊
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結果對比如下所示：
3 濕模態的計算與對比
濕模態的計算中，在Abaqus使用聲學單元建立水域，在iSolver直接使用軟件內置的施加虛擬流體質量設置（用戶手冊第4.14節）。
結構+聲學有限元濕模態結果
Abaqus用聲學有限單元模擬流體結果，水密度設置為1025，用Tie將板結構和聲學單元綁定，為排除水域尺寸的影響，參考相關文件，取12倍結構尺寸的水域，Abaqus中分析后三階頻率分別為5.9085，11.605，21.349
2.4.5 SAM、Nastran和Abaqus單側加水濕模態比較
將上述三個軟件得到的濕模態的結果匯總到一個表中，可發現iSolver
（原創，歡迎轉載，轉載請說明出處）
1 概述
本系列文章研究成熟的有限元理論基礎及在商用有限元軟件的實現方式，通過
（1） 基礎理論
（2） 商軟操作
（3） 自編程序
三者結合的方式將復雜繁瑣的結構有限元理論通過簡單直觀的方式展現出來，同時深層次的學習有限元理論和商業軟件的內部實現原理。
有限元的理論發展了幾十年已經相當成熟，商用有限元軟件同樣也是采用這些成熟的有限元理論
1. 要點
1) 基本物理量
2) 實例模型說明
3) 材料屬性設定
4) 求解類型設定
5) 邊界條件設定
6) 載荷和聲源
7) 網格劃分
8) 結果后處理
2. 基本物理量
1) 聲壓
設氣體的初始壓強為P0，受到聲擾動后，壓強為P0+P。則這個壓強改變量就稱為聲壓，單位為Pa，一般取其有效值。
2) 聲壓級
聲壓級（Sound Pressure Level
（2）對聲學，Abaqus或者專門的聲學軟件VA One、VirtualLab等都是求解的穩態問題，即在頻域求解。
聲學穩態動力學分析，聲固耦合
需求描述：
我有一個笛子的內部空氣柱模型，要求對笛子內部空氣柱進行諧振分析(不用直接法)，我不知道內部參數應該如何定義，主要目的一是得出諧振，二是希望可以告知子空間法以及模態法的載荷定義以及阻尼的相關設置。
此外Abaqus還提供有聲學無限元。無限元在Abaqus單元庫中遵循如圖4所示的命名慣例。
圖4 Abaqus無限元命名慣例
例如，CIN3D8代表一個8節點線性實體無限元。
2.2
用于靜力分析的無限元的節點定義
由于無限元具有方向性，因此無限元的節點定義方式相比于常規單元有一些特殊的要求。
1. 基本物理量
聲壓：
設氣體的初始壓強為P0，受到聲擾動后，壓強為P0+P。則這個壓強改變量就稱為聲壓
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