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空調(diào)管路模態(tài)分析（干模態(tài)、濕模態(tài)及單向流固耦合）1、引言 空調(diào)管路中，特別是吸、排氣管及回油管，由于其與壓縮機(jī)（振動(dòng)源）直連，在運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)響應(yīng)較大，為避免振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致管路開(kāi)裂、壽命縮短等一系列問(wèn)題，有必要對(duì)管路進(jìn)行模態(tài)分析，避免管路共振頻率與壓縮機(jī)運(yùn)行頻率接近產(chǎn)生共振效應(yīng)。

而更加真實(shí)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)建模在仿真應(yīng)用中又是不可忽略的, 因此文中借助COMSOL軟件對(duì)復(fù)雜潛艇艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲固耦合數(shù)值仿真分析, 為提高主動(dòng)聲吶回波信號(hào)仿真逼真度提供了有效借鑒。 　

使用nastran進(jìn)行流固耦合復(fù)模態(tài)計(jì)算 我們大部分時(shí)候計(jì)算的結(jié)構(gòu)正則模態(tài)，但我們經(jīng)常會(huì)遇到如下情況，使用正則模態(tài)計(jì)算則存在部分誤差。一個(gè)是結(jié)構(gòu)存在大阻尼或者存在摩擦?xí)r，例如旋轉(zhuǎn)部件的制動(dòng)盤(pán)等等；一個(gè)是結(jié)構(gòu)存在流固耦合問(wèn)題例如風(fēng)扇或者的旋轉(zhuǎn)與流體耦合或者存在空腔例如油箱等密閉空間時(shí)可能存在復(fù)模態(tài)。如果從具體的理論定義上來(lái)看，則是一個(gè)相位的問(wèn)題，大家有時(shí)間可以去翻翻理論書(shū)。

濕模態(tài)分析實(shí)際上是在單向流固耦合計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)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(duì)其進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，然后在此基礎(chǔ)上開(kāi)展彎曲管道在流體作用下振動(dòng)模態(tài)分析。單向流固耦合計(jì)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(shí)，管壁承受流體賦予的壓力，不均勻的壓力分布會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生額外的應(yīng)力。

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(duì)其進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，然后在此基礎(chǔ)上開(kāi)展彎曲管道在流體作用下振動(dòng)模態(tài)分析。 單向流固耦合計(jì)算 工業(yè)管道系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)彎管。

三.STAR-CCM+中的流固耦合 1、流固耦合實(shí)現(xiàn)方式 STAR-CCM+中流固耦合實(shí)現(xiàn)方式大概為三種，基于文件的耦合、協(xié)同仿真和軟件內(nèi)的耦合。 基于文件的耦合是通過(guò)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)磁盤(pán)中的文件在程序間進(jìn)行交換，能夠?qū)崿F(xiàn)單向和雙向耦合。比如在STAR-CCM+內(nèi)計(jì)算得到流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，以第三方格式導(dǎo)出到結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)第三方工具內(nèi)執(zhí)行應(yīng)力計(jì)算。

聲學(xué)分析需要考慮聲固耦合或聲輻射技術(shù)，因?yàn)樯婕暗絻?nèi)場(chǎng)的聲固耦合分析或外聲場(chǎng)的輻射聲功率計(jì)算，雖然封閉聲場(chǎng)可以基于模態(tài)法減少計(jì)算時(shí)間，外聲場(chǎng)可以采用格林法或聲傳遞函數(shù)等方法減少計(jì)算時(shí)間，但是，聲學(xué)網(wǎng)格分網(wǎng)、聲固耦合計(jì)算還是要花費(fèi)更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，造成企業(yè)需要更大的硬件資源和更長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期。

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置位移或載荷幅值及掃頻范圍，計(jì)算得到葉片結(jié)構(gòu)的幅頻圖，從而分析葉片的顫振特性。雙向流固耦合分析：雙向流固耦合分析是一種將流體與固體模塊相互迭代傳遞數(shù)據(jù)的耦合方法。在葉片顫振分析中，通過(guò)雙向流固耦合分析可以更準(zhǔn)確地模擬葉片在氣動(dòng)力作用下的振動(dòng)行為。首先進(jìn)行流體分析，將氣動(dòng)力結(jié)果傳遞到結(jié)構(gòu)分析中；然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將位移結(jié)果反饋到流體分析中。

在結(jié)構(gòu)商軟中，Nastran的MFluid和ACMODL分別模擬虛擬質(zhì)量法和流固耦合模態(tài)分析，其中MFluid虛質(zhì)量分析功能是由戴姆勒.奔馳公司提供資金支持開(kāi)發(fā)的一個(gè)功能模塊，目的是計(jì)算油箱等流固耦合部件在高頻響應(yīng)。而Ansys、Abaqus暫時(shí)沒(méi)有虛擬質(zhì)量方法，都是直接采用基于聲學(xué)有限元的流固耦合來(lái)求濕模態(tài)。本章只介紹基于虛擬質(zhì)量的濕模態(tài)計(jì)算。

單一的CFD計(jì)算已經(jīng)不滿足現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)跨介質(zhì)計(jì)算需求，工程上更多關(guān)注結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變形問(wèn)題。因此，以平頭圓柱體為例，本案例運(yùn)用STAR-CCM+&abaqus對(duì)圓柱體入水100m/s過(guò)程進(jìn)行模擬，得到了結(jié)構(gòu)入水過(guò)程中周?chē)鲌?chǎng)和自身響應(yīng)變化。適用領(lǐng)域：航行體入水沖擊，船舶砰擊，海洋結(jié)構(gòu)物漂浮等領(lǐng)域。ST

隨后，工程師使用ANSYSMechanical 開(kāi)展了模態(tài)和諧波響應(yīng)分析，在使用流體單元?jiǎng)?chuàng)建的簡(jiǎn)化水域中，用轉(zhuǎn)輪的聲振模型來(lái)研究整個(gè)轉(zhuǎn)輪和流道的耦合動(dòng)力學(xué)行為。有限元模型包括轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)參照系和完全軸對(duì)稱的靜態(tài)部件簡(jiǎn)化模型。轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)在與軸連接處沿軸向和圓周方向固定，工程師將流固耦合界面與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及聲學(xué)流體域進(jìn)行結(jié)合。這種對(duì)無(wú)阻尼聲振模型的簡(jiǎn)化模態(tài)分析，可提供模態(tài)形狀和對(duì)應(yīng)的自然頻率。

潛艇水下的振動(dòng)模態(tài)，稱為水下潛艇的濕模態(tài)。</p> <p>建模過(guò)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(shè)：</p> <p>（1）流體是無(wú)粘和可壓縮的：</p> <p>（2）聲波振幅相對(duì)較窄，這樣流體密度變化較小；</p> <p>（3）波傳播與熱力學(xué)過(guò)程是絕熱的。

在進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲輻射時(shí)，通常將結(jié)構(gòu)振動(dòng)與聲輻射分開(kāi)處理（這與流固耦合中聲振區(qū)分是兩個(gè)不同的概念）。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型中，基于結(jié)構(gòu)的固有屬性（干模態(tài)）建立附連水的模型從而獲得濕模態(tài)，并在此基礎(chǔ)上加載載荷、流體力或傳遞的振動(dòng)來(lái)計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)位移、速度或加速度。這些參量就是聲輻射仿真的聲源量，它已經(jīng)考慮了聲煤質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，于是聲仿真就可以采用聲學(xué)波動(dòng)仿真直接求解聲場(chǎng)。

汽車(chē)領(lǐng)域：聚焦降噪與熱管理核心需求汽車(chē)行業(yè)的流固耦合多圍繞提升駕駛體驗(yàn)展開(kāi)，技術(shù)鄰案例直擊工作中的常見(jiàn)難題：案例 1：主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)蓋聲固耦合仿真分析1) 需求背景：發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲會(huì)通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞到車(chē)內(nèi)，需分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的聲輻射情況，找到降噪優(yōu)化方向；2) 核心難點(diǎn)：要讓聲學(xué)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格精準(zhǔn)匹配（耦合面節(jié)點(diǎn)偏差不能超過(guò)網(wǎng)格尺寸的 10%）；設(shè)置合適的聲壓級(jí)計(jì)算頻率（覆蓋人耳敏感的