ansys濕模態分析理論的案例
有限元理論基礎及Abaqus內部實現方式研究系列44：聲學分析（3）-濕模態
我們在實際研發CAE軟件過程中發現難的不是這些多物理場公式等的編寫，難的是如何在現有的結構CAE軟件基礎上在前后處理和求解器層面分別加入其它分析能力，同時又保持原有框架的可擴展性和易維護性，當然，拋開多物理場，就算僅研發結構CAE軟件如何在維持現有框架結構基礎上在軟件層面添加新的功能也是實際中我們需要花大力氣研究的一個關鍵點，這也是我們理解的在研發上理論上的有限元和工程上的有限元分析的最大區別。
現階段我們只討論聲學物理場，由于聲學涉及的問題較多，我們僅限于和實際工作中用到的和結構強相關的部分內容，水平有限，同時對聲學理論等理解的也不夠透徹，可能有很多問題，大家有疑問也歡迎多討論。我們分幾篇文章來說明，本篇是聲學分析（3）-濕模態。
==第44篇：濕模態分析==
2.1.1 濕模態概念
一個結構體在真空中的振動和在周圍流體介質中的振動有時差異巨大，必須分開考慮，此時有干濕模態之分，以下干濕模態概念選之：結構振動問題中的干模態和濕模態 - 知乎 (zhihu.com)
模態分析是結構動力學問題中最為普遍的一個問題，大家對這個概念也非常熟悉，它是結構的固有特性，在不考慮阻尼的影響下，只與結構的剛度和質量有直接關系。
本文所涉及的問題是有關干、濕模態的計算，屬于模態問題中經常遇到的問題。通常我們所計算的模態其實是干模態，主要是由于結構放置在空氣中而空氣這一流體對結構的影響幾乎可以忽略不計，所以基本上可以默認為就是干模態。
但是嚴格意義上講，受流體附帶阻尼及剛度的影響，這類的模態仍然是濕模態。所謂濕模態是考慮流體對結構的作用，也就是在通用的振動方程中加入了有關流體的附加質量及剛度矩陣（Kx、Mx），這塊相互作用對結構的模態存在一定的影響，尤其是涉及諸如油、水等液體的作用。
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因此，結構自身的振動特性分析是研究其輻射聲場強度分布的基礎。潛艇水下的振動模態，稱為水下潛艇的濕模態。</p>
<p>建模過程中需要建立流固耦合模型，其中流體為理想流體，滿足如下基本假設：</p>
<p>（1）流體是無粘和可壓縮的：</p>
<p>（2）聲波振幅相對較窄，這樣流體密度變化較小；</p>
<p>（3）波傳播與熱力學過程是絕熱的。</p>
<p>注：例子來自《<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/Ansys" class="jsk-anchor">ANSYS Workbench</a>設計、仿真與優化 第3版》p61，原書中采用插入命令流方式實現流固耦合，之前寫過采用act插件實現，<a href="https://www.yqgqt.org.cn/post/1197433" target="_blank" title="水下潛艇濕模態分析(插入命令流與ACT對比)">水下潛艇濕模態分析(插入命令流與ACT對比)</a>。在<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/Ansys" class="jsk-anchor">ANSYS</a>高版本中，已經帶有聲學<a href="https://www.yqgqt.org.cn/major/fea" class="jsk-anchor">模態分析</a>模塊Modal Acoustics，本文將采用該模塊來分析。
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空調管路模態分析（干模態、濕模態及單向流固耦合） ￥6
干模態計算設置如下：
4、空調管路濕模態分析
濕模態分析考慮流體介質對結構模態的影響，即將冷媒對管路模態的影響影視考慮進去，在這里我們需要注意的是冷媒并沒有流速，是靜止狀態的，沒有重力影響的，對壁面的壓力也為0。
在用Wockbench中Model Acoustics模塊進行濕模態分析時，需要將流體與所接觸的固體放入一個part中，使其共節點，否則計算會報錯。濕模態分析具體設置步驟如下：
5、空調管路單向流固耦合分析
利用Fluent對流體在管路中的流動進行分析，計算出流體對管路的作用力，如壓力，在將作用力傳遞到結構分析中的管路內壁上，最后進行模態分析，該過程的后半段相當于預應力模態分析，即將靜力分析結果傳遞到模態分析中去。
對流體的計算中，采用壓力基進行穩態流求解，勾選考慮重力的影響，模型采用k-e模型，材料選用R410a，邊界條件設置為壓力入口和壓力出口，入口壓力設置為2.656MPa，出口壓力設置為2.502MPa，模型較為簡單，收斂較容易，其他設置均默認即可，初始化后便可開始進行計算。Fluent基本設置如下：
計算完成后便可得到流體在流動時對管壁的作用力，這里只分析壓力作用，其云圖如下，可以觀察到在入口、管路彎外受流體壓力影響較大。
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非常珍貴的ansys動力學理論分析基礎（模態）
非常珍貴的ansys動力學理論分析基礎（附圖）
M2-模態分析.ppt
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茶杯裝水的濕模態分析
首先進行沒有加水時的模態分析，發現茶杯的一階固有頻率在2000Hz左右。加水以后，在低頻階段，主要是水面的波動，而對茶杯的影響很小。因此為了分析茶杯和水的相互影響，這里僅關心2000Hz以上的六階模態振型。
一階振型
為了更清楚的看清液面形狀，將外部茶杯部分單元透明處理。
二階振型
三階振型
四階振型
五階振型
六階振型
基于optistruct干/濕模態仿真對比分析 ￥50
通常進行的模態分析都是在空氣中進行，由于空氣密度小，對計算結果影響小，在計算時通常忽略了空氣的作用，默認為真實條件進行模態分析。對于受流體作用的結構，由于流體密度相對空氣密度大，在進行模態分析時需要考慮液體與固體的耦合作用。將默認的真空條件下進行的模態分析稱為干模態分析，考慮了液固耦合作用模態計算的稱為濕模態分析。本案例重點在于講述如何在optistruct中進行濕模態分析，同時也給出了干模態的結果進一步對比二者之間的差異。
濕模態分析結果動畫
干模態分析結果動畫
濕模態前六階模態頻率分別為11.36Hz、20.43Hz、27.51Hz、30.89Hz、39.48Hz、39.58Hz；干模態前六階模態頻率分別為13.60Hz、25.27Hz、36.54Hz、48.86Hz、52.31Hz、60.39Hz。
展開 【年終系列實例EX5】流體作用下彎曲管道濕模態分析
流體作用下彎曲管道濕模態分析
1 實例說明
濕模態分析實際上是在單向流固耦合計算基礎上進行的預應力模態分析。本例接案例4單向流固耦合計算（地址：http://forums.caenet.cn/showtopic-621848.aspx），開展彎曲管道在流體作用下振動模態分析。
2 干模態計算
先考慮干模態分析（不考慮流體在管道中的流動）。計算流場如圖1所示。去掉案例3中的流體計算，利用案例3中的固體計算網格。
圖 1模態計算
雙擊C5單元格進入模態分析模塊。點擊Modal節點下Analysis Settings子節點，在下方的屬性欄設置框中設置Max Models to Find為6，尋找模型的6階模態。如圖2所示。
圖 2設置模態階數
計算得到各階頻率如圖3所示。
圖 3各階頻率
3 濕模態計算
數據流程如圖4所示。
圖4濕模態數據流程
3.1 計算模型
鼠標雙擊D5單元格進入模態分析設置。
如圖5所示，點擊Static Structural，在下方屬性欄設置中選擇Large Deflection為On，開啟大變形設置，這樣才能在計算模態過程中考慮到力的作用。
圖 5開啟大變形
從圖6所示可以看出，軟件自動設置為預應力模態分析。
圖 6模型樹菜單
點擊Modal樹菜單下節點Analysis Settings，在屬性框中進行如圖7所示設置。
圖 7設置模態搜索參數
進行求解計算，計算結果如圖8所示，可以看到每一階的頻率。
圖 8模態計算結果
可以選擇所有的模態頻率，點擊右鍵，選擇菜單Create Mode Shape Results，如圖9所示查看各階振型。
展開 結構模態分析專篇之理論模態分析（一）
1 理論模態分析過程是由物理參數獲得模態參數的過程。其數學實質是，由物理參數建立結構的振動微分方程，求解該微分方程，得到模態參數。
2 在振動理論中，傅立葉變換是求解振動微分方程的常用方法，大致分為三個步驟：對微分方程進行傅立葉變換；求解；對求解結果再進行傅立葉逆變換得出最終結果。
3 對振動微分方程進行傅立葉變換的過程是由物理參數獲得函數參數的過程，所以使用傅立葉變換是求解振動微分方程的三個步驟又可以描述為：由物理參數獲得函數參數；對函數參數進行運算；由函數參數獲得模態參數。
4 雖然理論模態分析的最終目的是獲得模態參數，但有時候經過傅立葉變換獲得函數參數后，已經能發現問題所在和滿足我們的需求。
5 在振動理論中，結構大致有三種模型：單自由度系統；多自由度系統；連續系統。一般來說，單自由度和多自由度系統更為常用。
6 單自由度系統的振動理論容易理解和把握，一般可以作為學習者把握振動規律的依據。但是，實踐中的大部分問題一般都屬于多自由度系統。其實，只要掌握一定的技巧，多自由度系統的振動理論也很容易理解和把握的。所以筆者建議單自由度和多自由度的振動理論都應該熟練掌握才好。
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因此，結構自身的振動特性分析是研究其輻射聲場強度分布的基礎。潛艇水下的振動模態，稱為水下潛艇的濕模態。
建模過程中需要建立流固耦合模型，其中流體為理想流體，滿足如下基本假設：
（1）流體是無粘和可壓縮的：
（2）聲波振幅相對較窄，這樣流體密度變化較小；
（3）波傳播與熱力學過程是絕熱的。
注：例子來自《ANSYS Workbench設計、仿真與優化 第3版》p61，原書中采用插入命令流方式實現流固耦合，本文則使用ACT方式實現并與原文結果作對比。本文附錄為原書中所需命令流，讀者可按原書自行求解。
2網格劃分
導入潛艇流固耦合模型在ANSYS Mechanical中如下圖所示。對于潛艇實體，采用automatic method劃分方法，網格尺寸為0.5m；對于流體域，則采用hex dominant method劃分方法，網格尺寸為1m。
3約束加載
加載ACT_Acoustics聲學模塊，在ANSYS Mechanical里面，選擇流體域為acoustic body，設置mass density為1000，sound speed為1500；在boundary conditions里面添加acoustic FSI interface，選擇潛艇表面為流固耦合面；同樣在boundary conditions里面添加acceleration，在y方向添加重力加速度。
4結果對比
使用ACT得到前十階模態結果以及第七階振型如下，第七階以彎曲振動為主。
與原文中前十階模態結果對比，結果一致。
5 ACT簡介
ACT——應用自定義工具包（ Application Customization Toolkit ，ACT)的簡稱。
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人懶，不想擼視頻，寫了分析教程PPT，準備了例子文件及計算結果，可自行查看。
汽車燃油箱（油箱+油液）濕模態分析.pptx（教程）
fuel_demo.rar（包含.fem以及.h3d）
不懂可以問
流體作用下彎曲管道單向流固耦合計算及濕模態分析
濕模態的概念
通常我們所說的結構模態，都是在真空中的結構模態，不考慮周圍流體的影響下的模態，這種模態可以稱為“干模態”，即不受流體影響的模態。
而實際中，我們通常計算的結構都是被流體“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都是干模態，因為空氣的密度比較小，空氣對車身模態的影響比較小，我們可以把車身的干模態當成車身在空氣中的濕模態，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，水對結構模態的影響比較大，如果忽略水的影響，那么計算出來的模態(干模態)就與實際的船的模態誤差就很大，此時就必須考慮水的影響，計算濕模態。
濕模態分析實際上是在單向流固耦合計算基礎上進行的預應力模態分析。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，然后在此基礎上開展彎曲管道在流體作用下振動模態分析。
單向流固耦合計算
工業管道系統中經常出現彎管。流體介質流經彎曲管道時，管壁承受流體賦予的壓力，不均勻的壓力分布會對管道產生額外的應力。
1
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，而結構有限元計算的目的是為了獲取結構件上應力、應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件上，利用有限元軟件計算固體應力應變。
單向流固耦合計算的數據流程如圖1所示。
圖1 數據流程
2
計算模型
計算幾何模型如圖所示。
展開 流體作用下彎曲管道單向流固耦合計算及濕模態分析
濕模態的概念
通常我們所說的結構模態，都是在真空中的結構模態，不考慮周圍流體的影響下的模態，這種模態可以稱為“干模態”，即不受流體影響的模態。
而實際中，我們通常計算的結構都是被流體“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都是干模態，因為空氣的密度比較小，空氣對車身模態的影響比較小，我們可以把車身的干模態當成車身在空氣中的濕模態，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，水對結構模態的影響比較大，如果忽略水的影響，那么計算出來的模態(干模態)就與實際的船的模態誤差就很大，此時就必須考慮水的影響，計算濕模態。
濕模態分析實際上是在單向流固耦合計算基礎上進行的預應力模態分析。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，然后在此基礎上開展彎曲管道在流體作用下振動模態分析。
單向流固耦合計算
工業管道系統中經常出現彎管。流體介質流經彎曲管道時，管壁承受流體賦予的壓力，不均勻的壓力分布會對管道產生額外的應力。
1
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，而結構有限元計算的目的是為了獲取結構件上應力、應變和位移等物理物理量。
展開 實驗模態分析的理論基礎（模態參數估計）
顧名思義，穩態圖，就是隨著擬合階數的增加，模態參數進入穩態的表現。
4 筆者建議
01 測試系統硬件好，測試才好。靠錢。
02 測試布點合理，操作合規，測試才好。靠操作者的經驗和理論。
03 測試軟件算法好，分析才會好。靠錢。
04 測試人員對軟件算法有足夠了解，分析才能做好。靠操作者的理論和經驗。
模態分析理論與試驗
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模態分析理論與試驗
作者：（比利時）海倫 等著，白化同，郭繼忠 譯
出版社：北京理工大學出版社
ISBN：7810457977
印次：1
紙張：膠版紙
出版日期：2001-6-1
字數：377000
版次：1
定價：30元 當當價：26.4元
折扣：88折 鉆石VIP價：25.08元
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內容提要：
本書闡述了模態分析理論與模態試驗。上篇介紹了解析模態分析與實驗模態分析、數字信號處理、模態參數識別、模型驗證、模態參數應用以及模型修正和預試驗分析等基本理論。下篇緊密結合上篇的理論，從更為實際的角度介紹實驗模態分析的各種方淪。
本書適合于從事結構動力學實驗與分析的工程技術人員及大專院校相關專業高年級學生和研究生閱讀。
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