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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（振動源）直連，在運行過程中振動響應(yīng)較大，為避免振動過大導(dǎo)致管路開裂、壽命縮短等一系列問題，有必要對管路進行模態(tài)分析，避免管路共振頻率與壓縮機運行頻率接近產(chǎn)生共振效應(yīng)。

而更加真實的目標結(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軟件對復(fù)雜潛艇艙室結(jié)構(gòu)進行了聲固耦合數(shù)值仿真分析, 為提高主動聲吶回波信號仿真逼真度提供了有效借鑒。 　

使用nastran進行流固耦合復(fù)模態(tài)計算 我們大部分時候計算的結(jié)構(gòu)正則模態(tài)，但我們經(jīng)常會遇到如下情況，使用正則模態(tài)計算則存在部分誤差。一個是結(jié)構(gòu)存在大阻尼或者存在摩擦時，例如旋轉(zhuǎn)部件的制動盤等等；一個是結(jié)構(gòu)存在流固耦合問題例如風扇或者的旋轉(zhuǎn)與流體耦合或者存在空腔例如油箱等密閉空間時可能存在復(fù)模態(tài)。如果從具體的理論定義上來看，則是一個相位的問題，大家有時間可以去翻翻理論書。

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。

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。

本系統(tǒng)在Mechanical中配置，使用Mechanical APDL求解器計算使用耦合場模態(tài)分析系統(tǒng)：1） 要添加Coupled Field Modal耦合場模態(tài)系統(tǒng)，從工具箱拖拽該系統(tǒng)至項目圖，或在工具箱中雙擊該系統(tǒng)一旦選定該系統(tǒng)，顯示下述提示：該信息告知，通過在Setup單元的屬性頁選擇物理類型，將在隨后的Mechanical程序中自動創(chuàng)建物理域（對象）；Structural

三.STAR-CCM+中的流固耦合 1、流固耦合實現(xiàn)方式 STAR-CCM+中流固耦合實現(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存儲在計算機磁盤中的文件在程序間進行交換，能夠?qū)崿F(xiàn)單向和雙向耦合。比如在STAR-CCM+內(nèi)計算得到流場及溫度場，以第三方格式導(dǎo)出到結(jié)構(gòu)模型，通過第三方工具內(nèi)執(zhí)行應(yīng)力計算。

同時，由于集成了多個產(chǎn)品，流固耦合的分析使用方法也變得多種多樣，比如可以通過Mechanical APDL Product Launcher設(shè)置基于MFX的雙向耦合分析，可以通過Mechanical APDL本身設(shè)置與CFX或FLUENT的單向耦合分析，可以通過ANSYS Workbench設(shè)置與CFX和FLUENT的單向耦合分析，通過ANSYS Workbench平臺設(shè)置ANSYS和CFX的雙向耦合分析

聲學(xué)分析需要考慮聲固耦合或聲輻射技術(shù)，因為涉及到內(nèi)場的聲固耦合分析或外聲場的輻射聲功率計算，雖然封閉聲場可以基于模態(tài)法減少計算時間，外聲場可以采用格林法或聲傳遞函數(shù)等方法減少計算時間，但是，聲學(xué)網(wǎng)格分網(wǎng)、聲固耦合計算還是要花費更長的計算時間，造成企業(yè)需要更大的硬件資源和更長開發(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，通過雙向流固耦合分析可以更準確地模擬葉片在氣動力作用下的振動行為。首先進行流體分析，將氣動力結(jié)果傳遞到結(jié)構(gòu)分析中；然后進行結(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發(fā)的一個功能模塊，目的是計算油箱等流固耦合部件在高頻響應(yīng)。而Ansys、Abaqus暫時沒有虛擬質(zhì)量方法，都是直接采用基于聲學(xué)有限元的流固耦合來求濕模態(tài)。本章只介紹基于虛擬質(zhì)量的濕模態(tài)計算。

單一的CFD計算已經(jīng)不滿足現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)跨介質(zhì)計算需求，工程上更多關(guān)注結(jié)構(gòu)運動過程中的變形問題。因此，以平頭圓柱體為例，本案例運用STAR-CCM+&abaqus對圓柱體入水100m/s過程進行模擬，得到了結(jié)構(gòu)入水過程中周圍流場和自身響應(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 開展了模態(tài)和諧波響應(yīng)分析，在使用流體單元創(chuàng)建的簡化水域中，用轉(zhuǎn)輪的聲振模型來研究整個轉(zhuǎn)輪和流道的耦合動力學(xué)行為。有限元模型包括轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)參照系和完全軸對稱的靜態(tài)部件簡化模型。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)流體域進行結(jié)合。這種對無阻尼聲振模型的簡化模態(tài)分析，可提供模態(tài)形狀和對應(yīng)的自然頻率。