水彈性的案例
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
流體用邊界元形式，但邊界考慮了流固耦合，屬于氣彈性（aero-elasticity）和水彈性（hydro-elasticity）的范疇，一直覺得照原理來說應該比下面的虛擬質量法來算濕模態更準，和做水彈性的專家聊過，實際上水彈性都還是基于干結構的模態基展開來計算結構動響應，所以輸入的是干結構的模態分析后處理文件，程序內部應該沒有計算濕模態，水彈性和氣彈性還是只計算流體載荷，不是算結構振動的。
b. 流體用聲學有限元形式，然后用Nastran的glue或者Abaqus的Tie和結構有限元綁定，此時流體的壓力會作為外載荷作用到結構上，耦合面結構的加速度也會作為聲學有限元的邊界，即前面聲學有限元章節中的Inward volume acceleration。這種方法從原理上來說也比下面的虛擬質量方法更加正確，但建模相對復雜，譬如如果是水域的話，見過外面的流體域大概取到結構體的6倍以上共振頻率解才能穩定，這樣導致網格量大大上升，所以在工程上反而不夠實用。
（2）另一種結構的變形不會導致流體載荷的變化，譬如海浪中一塊小木板的變形不會對波浪載荷有影響，即單向耦合。也就是當kl<<1，此時結構體相對于流體載荷中的波長可忽略。此時流體假定不可壓、無粘，可以用勢流理論的邊界元表示流體，然后流體的作用等效為虛擬質量加到結構質量上，而流體對結構的剛度陣的影響忽略，至于和上面的氣彈性或者水彈性的邊界元+結構有限元的方法的不同，有可能僅在耦合邊界的處理上，這邊只有單向的流體對結構的壓力傳遞，而上面的是雙向的，僅猜測，不一定對。這種方法雖然理論上不如上面的流固雙向耦合精確，但流體只要建一層邊界就行，所以工程上相對更實用。
展開 FSI典型案例及應用領域
薄膜閥的流固耦合模擬
流量計流固耦合模擬：速度場和壓力場分布
ADINA FSI 強大的自適應網格功能模擬流固耦合中的大變形
ADINA FSI自適應網格
ADINA模擬水電站水與渦輪葉片相互作用時廠房的振動
ADINA FSI模擬心臟的流固耦合
應用領域：
水庫、大壩
油氣開采
石油管道
儲液罐
水彈性
充液結構爆炸
橋墩
機械氣動彈性
船舶
航空航天
人工肺
心臟
血液流動
燃油泵
閥門
Tdyn集結構、流動、傳熱耦合的多物理場數值模擬軟件
功能模塊
Tdyn CFD+HT 模塊
Ransol模塊，流體動力學求解器
Heatrans模塊，傳熱分析
Advect模塊，質量和組分的傳輸
Ursolver 模塊，通用 ( 用戶定義的 ) 微分方程求解器
Alemesh模塊，網格重分
RamSeries模塊
Basic模塊，線性靜力分析
Dynsol 模塊，動力 ( 模態和直接 ) 分析
Composite模塊，復合材料層合計算工具
Non-linear模塊，非線性，沖擊等先進分析工具
Coupling模塊，隱式流-固結構耦合求解器
SeaFEM模塊
基本模塊，時域多體線性輻射衍射求解器
高級模塊，二階輻射衍射求解器和水彈性分析
展開 Nastran應用范圍
Nastran靜力分析
◆ 含慣性釋放的靜力分析
◎ 自由結構的準靜態響應
◆ 非線性靜力分析
NASTRAN屈曲分析
◆ 線性屈曲
◆ 非線性屈曲
◎ 三種弧長法
◎ 幾何非線性失穩
◎ 彈塑性失穩
◎ 后屈曲
◆ NASTRAN動力學分析
◎ 直接瞬態響應 ◎ 模態瞬態響應
◎ 直接頻率響應 ◎ 模態頻率響應
◎ 響應譜分析 ◎ 隨機振動響應分析
◎ 復特征值計算 ◎ GDR矩陣縮減法
◎ 非線性瞬態分析 ◎ 聲學分析
◎ 動力靈敏度分析
◆ NASTRAN非線性分析
◎ 幾何非線性: 大變形/旋轉, 大塑性
◎ 材料非線性: 塑性, 粘彈/塑性, 超彈性, 蠕變
◎ 非線性接觸, 彈簧, 阻尼單元
◎ 隨溫度相關的非線性
◎ 非線性瞬態動力學
NASTRAN熱傳導分析
◆ 線性/非線性分析 ◆ 熱傳導
◆ 自由/受迫對流 ◆ 穩態/瞬態分析
◆ 輻射(多腔,對空間) ◆ 熱控系統分析
◆ 相變分析
NASTRAN氣動彈性分析
◆ 靜動氣彈響應分析
◆ 氣動顫振分析
◆ 氣彈優化分析
◆ 超音速, 亞音速理論
NASTRAN流－固耦合分析
◆ 流-固耦合法
◎ 聲學和噪聲控制 ◎ 直接法或模態法分析動力響應
◆ 水彈性流體單元法
◎ 可壓縮、含重力、有結構界面的流體
◎ 模態分析，瞬態分析，復特征值和頻率響應分析
◆ 虛質量法
◎ 結構浸在液體中 ◎ 容器內液體晃動
展開 
分享：渦激振動VIV
用實驗或理論方法求出這些附連的量，是水彈性問題研究中的重要課題。實驗證明，漩渦的發放頻率f可用無量綱參數斯特勞哈爾數St（Strouhal Number）來表示，表達式為：
f=St*V/D
St是構件剖面形狀與雷諾數Re的函數，其定義式為St=D/（V*T）。
其中：V為垂直于構件軸線的速度（m/s）；
D為圓柱直徑或柱體的其他特征長度（m）；
T為相關的特征時間（s）。
目前，主要的研究方法有三種：
1，實驗方法
瀉渦脫落引發的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的復雜過程。需要具有一套完整物理實驗方案和精密的實驗儀器可以把所有的渦激振動相關機型同步觀測，以測定其聯合效應。物理實驗往往很難同時提供流體的瞬時變化數據。
2，數值方法
振動問題。對于數值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動的數值模擬方法分為:直接數值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基于上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基于彈性支撐的剛體二維模擬，基于彈性體二維渦元模擬和三維結構插值積分的離散渦元法模擬，以及對于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等
3，半經驗公式
半經驗公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。
4，流固耦合數值計算軟件
Ansys+CFX
Fluent+Abaqus
Adina
COMSOL Multiphysics(FEMLAB)
假若構件的自振頻率與漩渦的發放頻率相接近就會使結構發生共振破壞，這種現象容易發生在高聳結構物上，因此這種渦激振動是極其有害的，需采取措施阻止它的發生。
展開 MSC.Nastran 簡介
MSC.NASTRAN中擁 有多種方法求解完全的流-固耦合分析問題, 包括: 流-固耦合法、 水彈性流體單元法、 虛質量法。
⑴. 流-固耦合法
流- 固耦合法廣泛用于聲學和噪音控制領域中,如發動機噪聲控制、汽車車廂和飛機客艙內的聲場分布控制和研究等。分析過程中,利用直接法和模態法進行動力響應分析。 流體假設是無 旋的和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程, 二種特殊的單元可被用來描述流-固耦合 邊界。 此外, MSC.NASTRAN新增加的(噪)聲學阻滯單元和吸收單元為這一問題的分析帶來了極大方便。
(噪)聲學載荷由節點的壓力來描述, 其可以是常量, 也可以是與頻率或時間相關的函數, 還 可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數。由不同的結構件產品的噪聲影響結果可被分 別輸出。
⑵.水彈性流體單元法
該方法通常用來求解具有結構界面、可壓縮性及重力效應的廣泛流體問題。 水彈性流體單元法可用于標準的模態分析、瞬態分析、復特征值分析和頻率響應分析。 當流體作用于結構時, 要求必須指出耦合界面上的流體節點和相應的結構節點。自由度在結構模型中是位移和轉角,而 在流體模型中則是在軸對稱坐標系中調和壓力函數的傅利葉系數。
類似于結構分析,流體模型產生"剛度"和"質量"矩陣, 但具有不同的物理意義。 載荷、約束、 節點排序或自由度凝聚不能直接用于流體節點上。
⑶. 虛質量法
虛質量法主要用于以下流-固耦合問題的分析：
結構沉浸在一個具有自由液面的無限或半無限液體里。
容器內盛有具有自由液面的不可壓縮液體。
以上二種情況的組合, 如船在水中而艙內又裝有不充滿的液體。
用結構單元來描述, 這個模型可以是一邊或二邊被同一液體或不同液體所浸潤。
忽略液面重力效應。
展開 第二十九屆全國水動力學研討會在江蘇成功舉辦
本屆“周培源水動力學獎”二等獎獲得者、中國船舶科學研究中心鄒明松研究員做了題為“船舶三維聲彈性理論及應用”，在吳有生院士建立的帶航速浮體水彈性理論與分析系統的基礎上，發展了船舶三維聲彈性理論及分析方法，具有很好的工程應用前景。此外，在移動接觸線動力學、超疏水表面水下減阻、海洋新能源、拓展位移淺水方程等方面均有出色的基礎研究成果發表。
為了表彰和培植水動力學界的后備人才，《水動力學研究與進展》編委會與中國力學學會流體力學專業委員會從2015年起設立了“學生優秀論文獎”。經過專家組成的評審委員會的嚴格評比，上海交通大學劉帥、中國科學院力學研究所侯林彤、武漢大學程懷玉、浙江大學彭凱、大連理工大學李翔、上海交通大學王秋雯六位研究生榮獲“第二十九屆全國水動力學研討會學生優秀論文獎”。
8月26日下午，編委會副主任、浙江大學林建忠教授主持了會議的閉幕式，并宣讀了“學生優秀論文獎”獲獎名單，隨后林建忠教授等向學生們頒發了獎狀和獎金。編委會副主任、中國力學學會流體力學專業委員會主任、上海交通大學劉樺教授致閉幕詞，總結了本屆會議的鮮明特色：1）水動力學特色學科方向成果豐碩；2）學科交叉創新發展動力強勁；3）優秀青年學者表現突出。第三十屆全國水動力學研討會暨第十五屆全國水動力學學術會議將于2019年在安徽合肥舉行，由中國科學技術大學、合肥工業大學聯合主辦。
展開 CAE系列軟件介紹_MSC.Nastran
MSC.NASTRAN中擁 有多種方法求解完全的流-固耦合分析問題, 包括: 流-固耦合法、 水彈性流體單元法、 虛質量法。
⑴. 流-固耦合法
流-固耦合法廣泛用于聲學和噪音控制領域中,如發動機噪聲控制、汽車車廂和飛機客艙內 的聲場分布控制和研究等。分析過程中,利用直接法和模態法進行動力響應分析。 流體假設是無 旋的和可壓縮的, 分析的基本控制方程是三維波方程, 二種特殊的單元可被用來描述流-固耦合 邊界。 此外, MSC.NASTRAN新增加的(噪)聲學阻滯單元和吸收單元為這一問題的分析帶來了極 大方便。
(噪)聲學載荷由節點的壓力來描述, 其可以是常量, 也可以是與頻率或時間相關的函數, 還 可以是聲流容積、通量、流率或功率譜密度函數。 由不同的結構件產品的噪聲影響結果可被分 別輸出。
⑵.水彈性流體單元法
該方法通常用來求解具有結構界面、可壓縮性及重力效應的廣泛流體問題。 水彈性流體單 元法可用于標準的模態分析、瞬態分析、復特征值分析和頻率響應分析。 當流體作用于結構時, 要求必須指出耦合界面上的流體節點和相應的結構節點。 自由度在結構模型中是位移和轉角,而 在流體模型中則是在軸對稱坐標系中調和壓力函數的傅利葉系數。
類似于結構分析,流體模型產生"剛度"和"質量"矩陣, 但具有不同的物理意義。 載荷、約束、 節點排序或自由度凝聚不能直接用于流體節點上。
⑶. 虛質量法
虛質量法主要用于以下流-固耦合問題的分析：
結構沉浸在一個具有自由液面的無限或半無限液體里。
容器內盛有具有自由液面的不可壓縮液體。
以上二種情況的組合, 如船在水中而艙內又裝有不充滿的液體。
用結構單元來描述, 這個模型可以是一邊或二邊被同一液體或不同液體所浸潤。
忽略液面重力效應。
展開 圓柱繞流仿真分析
但針對其流動特點，仍有很多值得研究的問題，如渦脫落的頻率對某一定點的干擾可形成周期性的流場物理量的變化（如速度脈動、壓力脈動等），升阻比，進步一分析圓柱在周期性振蕩作用下，即圓柱在水彈性力作用下的運動特征等，此處不一一贅述了。
HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
?分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
?分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
?瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
?固體本身的變形量很小，可以認為是剛體，但是整體產生比較大的位移，可以采用CFD耦合MBD多體動力學分析，也屬于雙向耦合。
以上幾種分析都可以在SimLab模塊中完成，流固交界面的耦合數據在后臺傳遞，無需用戶編輯腳本。
TFSI模型的計算代價最小，通常用于流體靜載荷或溫度梯度引起的固體小變形，例如汽車排氣管的熱應力，發動機水套的熱應力，車燈的熱應力等等場景。
排氣歧管的TFSI分析案例
AcuSolve模型的管路入口為高溫高壓氣體，管路出口為大氣壓和環境溫度，管路外壁面是自然對流散熱邊界。AcuSolve結果傳遞給求解器OptiStruct再分析管路的熱應力和變形。
展開 拓撲優化在海洋工程中的應用（轉自公眾號跨海游龍）
Wu等人則利用線性和非線性的三維水彈性理論預報了水動力載荷，并對結構做了安全評估。Zbigniew Sekulski通過遺傳算法，對一艘雙體船進行了拓撲優化和尺寸優化，降低了船舶的總重量。潘彬彬等在同時考慮船舶結構力學性能和水動力性能的多學科設計優化中，使用iSIGHT調用Ansys實現了基礎有限元的船舶結構優化。朱穌驥等將遺傳算法進行了改進，并應用到了超大型油船結構優化之中，選取近400個設計變量，所有設計變量在優化的過程中都離散化處理，應用規范作為校核準則，經
過計算優化后，船中剖面的面積下降了2.6%。Klanac等采用遺傳算法，對一條鋁合金渡船進行了多目標優化，設計降低了多達10%的重量和6.5%的VGC。
Tian等將拓撲優化用于導管架平臺結構設計，與規則設計結果相比較，重量減少13.7%，同時最大應力減小46.31%。Lee等分別采用拓撲優化與規則設計進行5MW海上風電導管架平臺設計，得出拓撲優化設計的平臺在重量和應力水平上均具有優勢，提高了平臺可靠性。
圖2 導管架平臺
圖3 導管架拓撲優化
圖4 導管架平臺局部構件應力云圖
圖5 船用舷臺框架拓撲優化
4.拓撲優化在海洋工程中的發展前景
拓撲優化的未來研究方向主要體現在：
1)基于無網格數值技術的拓撲優化設計；并行結構拓撲優化設計技術；雙向拓撲優化技術；復合形遺傳算法等混合拓撲優化設計技術；
2)多目標拓撲優化設計；結構動力學的拓撲優化設計；非線性的拓撲優化設
計；可變荷載拓撲優化設計；多工況下的拓撲優化設計；
3)路徑規劃非線性控制柔性機構的拓撲優化設計。
隨著“綠色制造”、“信息化與工業化深度融合”、“制造業創新”出現在政府工作報告《中國制造2025》。
展開 
關于模態分析和頻率響應分析
NX Nastran中擁有多種方法求解完全的流-固耦合分析問題，包括：流-固耦合法、水彈性流體單元法、虛質量法。
二、模態分析和頻率響應分析的概念
模態分析和頻率響應分析的確是兩個不同的概念。
模態是結構固有的一種特性，它只與結構的形狀、約束形式、材料特性等有關，而與其他輸入（例如加載）無關。模態分析主要目的有：了解結構的共振區域，為結構設計提供一定的指導；對計算模型進行校驗，驗證你做仿真計算的模型是否正確；開展瞬態分析、譜分析的基礎。
而頻率響應分析則是指結構對一載荷（可以是沖擊載荷，也可能是一頻率在一定范圍內的載荷）的響應。頻率響應分析的目的是確定結構上兩點的輸入輸出關系（一般以頻率為橫坐標）。
1、模態分析亦稱振型分析
指結構動態特性的理論分析與實驗分析。目的是確定結構的模態參數，如固有頻率、阻尼、振型等。
理論分析采用有限元法。在結構復雜和所劃分的有限單元數目過多時，采用簡化的方法使有限元模型的自由度減少，或用模態綜合法，把結構劃分為若干個子結構，先求出子結構的模態，再進行綜合。
實驗分析是利用模擬實驗設施，激勵結構使其作橫向彎曲振動、縱向振動和扭轉振動，通過實時分析儀和計算機進行數據采集和處理，測試結構的響應，給出模態參數。實驗分析的結果用于驗證理論計算結果的精確性，并找出改進分析精度的途徑。廣泛應用于航空、航天器的振動性能分析，以及機器和一些大型建筑(如橋梁)的故障診斷與監測。
2、頻率響應分析
Z向上的頻率響應
Y向上的頻率響應
Magnitude響應的振幅
來自CAE技術聯盟
展開 CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
CFD專欄丨HyperWorks多物理場仿真：流固耦合
背景介紹
最初的流固耦合FSI(Fluid-Solid Interaction)專指研究流體載荷對彈性結構的影響，例如飛機機翼氣動彈性問題，船舶螺旋槳的水彈性問題，核反應堆燃料棒的渦激振動問題等等。在數值仿真領域FSI概念擴展到一般性的CFD模型和FEA模型的數據交換問題。
FSI真實案例：大橋與風場組成了耦合系統，大風產生了一定頻率的卡門渦脫落，這個頻率與耦合系統中的結構固有頻率相近，使系統發生了共振，大橋劇烈晃動直至崩塌。
大橋劇烈晃動直至崩塌
HyperWorks的流體求解器AcuSolve流固耦合分析分為四種情況：
分析穩態的流場壓力和溫度場對固體變形的影響，也叫 TFSI (Thermal-FSI)屬于單向耦合；
分析流體動載荷引起的固體振動現象，也叫P-FSI (Practical FSI)，屬于單向耦合；
瞬態流動引起固體大變形，并反饋給流場，也叫DC-FSI (Direct Coupling FSI)，屬于雙向耦合。
展開 中國汽車NVH技術的過去、現在以及未來
過去：2003年以前
自關閉守到國門打開時期
合資品牌汽車壟斷時期
自主品牌汽車出現時期
現在：2003-2010年
NVH啟蒙時期：2003-2007
NVH快速發展時期：2007-2010
未來：2011以后
近期未來：2011-2015
長遠未來：2016以后
2003年以前
聲學與振動的基礎領域
聲學與振動是一門古老的學科，中國在振動與聲學方面的研究非常深入，其中比較有代表性的有：
中科院聲學所、南京大學：基礎聲學、水聲學
同濟大學：建筑聲學
期間涌現出一些大師級人物：
馬大猷院士：聲學專家，在微穿孔板上的貢獻
魏榮爵院士：聲學專家，在非線性聲學上的貢獻
楊叔子院士：振動專家，在信號識別、故障診斷上的貢獻
杜慶華院士：力學專家，在振動、邊界元上的貢獻
吳有聲院士：水彈性力學與船舶力學專家，流固耦合振動
噪聲與振動的應用領域
八十年代以來，中國在噪聲與振動應用領域非常活躍。如：
船舶系統：上海交通大學、武漢701所、無錫702所，都具有良好的消聲室、混響室、水聲室等。
航天與航空系統：南京航空大學、西北工業大學，涉及到復雜結構的模態問題、結構振動等。
機械領域：華中科技大學、清華大學，涉及到故障診斷、信號處理等。
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