ANSYS基于声学分析简单介绍

为了模仿

声学研究声压波在流体介质中的产生、传播、吸收和反射。以下资料摘自网络，仅能作为一些参考，声学分析在ANSYS中没有独立的模块，希望的今后的版本中能出一个专门的模块做声学吧。

一、声学有如下的应用：

1、声纳—声学上雷达的对应物

2、设计音乐厅，希望声压均匀分布。

3、减小机器厂房内的噪音

4、汽车中的噪声消除

5、水下声学

6、设计扬声器、音箱、声滤、消音器及其他类似装置。

7、地球物理探测

二、声场分析的类型

只有在ANSYS/Multiphysics 和 ANSYS/Mechanical中能进行声场分析，通常包括对流体介质及其周围结构的建模。典型感兴趣的是不同频率的声波在流体中的压力分布、压力梯度、粒子速度、声压级及声波的散射、衍射、传输、辐射、衰减和散射。耦合的声场分析将考虑流体-结构的相互作用。非耦合的声场分析模型只考虑流体而忽略任何流体-结构的相互作用。

ANSYS程序假定流体是可压的，但只允许压力与平均压力相比有较小的变化。而且，流体假定为非流动并且无粘的（即粘性不引起耗散作用）。假定平均密度和平均压力不变，压力求解偏离平均压力而不是绝对压力。

三、求解声学问题

通过执行一个谐波响应分析可以解决许多声学问题。分析计算流体-结构界面上的谐波载荷（正弦变化）引起流体中的压力分布。

四、谐波声场分析的过程包括以下三个主要步骤

建立模型。施加边界条件和载荷并获得求解、查看结果。

在此步骤中，用户指定工作名称和分析标题，然后用PREP7前处理器定义单元类型，单元实常数，材料属性和模型几何尺寸。

五、谐波声场分析准则

对一个谐波声场分析，考虑以下几点：

单元类型—ANSYS声场分析指定了四种单元类型：对二维和三维模型的流体部分分别使用Fluid29和Fluid30单元，Fluid129和Fluid130与FLUID29和FLUID30单元一起使用，用来构造包围Fluid29和Fluid30单元的无限外壳。利用这些单元类型可以构造流体部分的模型，然后利用相应的结构单元（PLANE42、SOLID45等）构造固体模型。只有Fluid29和Fluid30单元才能与结构单元相接触（在结构的内部或外部）；Fluid129和Fluid130单元只能与Fluid29和Fluid30单元相接触，而不能直接与结构单元接触。

1、FLUID29与FLUID30单元

对与固体相接触的声单元，要确保使用KEYOPT(2)=0，缺省的设置允许流体-结构的相互作用。UX，UY，UZ和PRES作为自由度引起单元矩阵的不对称。对所有其它的声单元，设置KEYOPT（2）=1，致使带有PRES自由度的单元矩阵的对称。对称矩阵需要的内存和计算时间更少，因此只要可能就应该使用它。

2、 FLUID129和FLUID130单元

对无限的吸收压力波的声单元，模拟在FLUID29和FLUID30单元之外无限延伸域的输出效果。FLUID129和FLUID130单元提供了第二级的吸收边界条件，所以输出的压力波到达模型的边界以最小的反射吸收到流体域内。

FLIUD129单元用来建立二维流体区域的边界和诸如线单元。FLIUD130单元用来建立三维流体区域的边界和诸如平面表面单元。

材料属性—声单元需要密度（DENS）和声速（SONC）作为材料属性（FLUID129和FLUID130只需要SONC）。如果在流体-结构界面存在声的吸收，利用标记MU来指定边界导纳β（吸收系数）。值β通常由实验来测定。对结构单元，指定杨氏模量（EX）、密度（DENS）和泊松比（PRXY或NUXY）。实常数—当用FLUID129和FLUID130单元时，里面的有限元网格边界必须是圆形的（二维及轴对称）或球形的（三维），而且圆形或球形边界的有限区域的半径必须指定为实常的RAD。圆或球的中心也必须用实常数指定：

R,3,RAD,X0,Y0!REAL set 3 for FLUID129

R,3,RAD,X0,Y0,Z0!REAL set 3 for FLUID130

如果二维轴对称情况圆的中心坐标（X0，Y0）或三维情况球的中心坐标（X0，Y0，Z0）不是通过实常数指定的，ANSYS假定中心为总体坐标系的原点。

3、对模型进行网格划分

下面为使用二维无限的声单元进行网格划分的典型程序。对三维单元的程序与此相同。如果还有结构部分，结构单元必须与FLUID29单元相邻，而不要与无限流体单元（FLUID129）相邻。

这个过程自动在有限区域的边界加入FLUID129单元。这里环形结构用

PLANE42结构单元进行网格划分。与PLANE42单元接触的流体单元层用带有UX和UY自由度的FLUID29单元划分网格同时打开流体-结构接触面。流体的外层用没有UX和UY自由度的FLUID29单元建模。在X0=Y0=0处放置FLUID129单元的半径为0.31242。可用下列方法定义FLUID129单元：

命令：ESURF

GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Inf Acoustic

步骤一：内部流体区域的网格划分

用FLUID29单元对圆形或球形边界（PLANE42）所包围的内部流体区域划分网格。

步骤二：生成无限的声单元

按以下步骤：

1．选择圆形或球形边界上的节点：

命令：NSEL

GUI: Utility Menu>Select>Entities

2．指定FLUID129单元作为与FLUID29单元相联系的无限流体单元。 命令：TYPE, REAL

GUI: Main Menu>Preprocessor>Attributes>Default Attribs

Main Menu>Preprocessor>Real Constants

无限单元对低频及高频激励都执行得很好。数值实验已确定吸收单元远离结构或振动源区域以外大约0.2λ放置能产生准确的结果。这里λ=c/f压力波的主波长。c是流体中的声速（SONC），f是压力波的主频。例如，对浸没在水中的圆盘或球壳的直径D，封闭边界的半径RAD至少应为D/2+0.2λ。而且，对一般的声分析，网格必须足够的细致以能分辨最小的主频。

3．在边界生成吸收单元（FLUID129）。

命令：ESURF

GUI: Main Menu>Preprocessor>Create>Elements>Inf Acoustic

步骤三：指定流体-结构接触面

指定流体-结构接触面：

1．选择界面上的所有节点。

命令：NSEL

GUI: Utility Menu>Select Entities

2．选择附属于这些节点上的流体单元。

命令：ESEL

GUI:UtilityMenu>Selec；3．指定所选择的节点作为流体-结构接触面上的节点；GUI:MainMenu>Preproce55施加载荷并获得求解；在这个步骤里，用户定义分析类型和选项，施加载荷，；5.5.1步骤一：进入SOLUTION求解器；通过选择GUI途径MainMenu>Sol；5.5.2

GUI: Utility Menu>Select>Entities

3．指定所选择的节点作为流体-结构接触面上的节点。 命令：SF

GUI: Main Menu>Preprocessor>Loads>Apply>Fluid-Struct>On Nodes 注意—在对分析进行求解前确保重选所有的节点。

六、施加载荷并获得求解

在这个步骤里，用户定义分析类型和选项，施加载荷，指定载荷步选项，并开始有限元求解。下面几节解释如何做这些工作。

步骤一：进入SOLUTION求解器

通过选择GUI途径Main Menu>Solution或执行/SOLU命令进入SOLUTION求解器。

步骤二：定义分析类型

利用GUI途径或命令集，定义分析类型和分析选项。 用下列方法定义分析类型： 命令：ANTYPE,HARMIC

GUI: Main Menu>Solution>New Analysis

必须选择新的分析NEW Analysis因为重启动对谐波响应分析无效。如果需要施加另外的谐波载荷，每次作一个新的分析（或用《ANSYS Basic Analysis Guide》中叙述的“部分求解”程序）。

步骤三：定义分析选项

用下列方法指定求解方法： 命令：HROPT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

尽管全量、减缩或模态叠加方法都是可选的方法，选择全量方法因为它自己就可以处理非对称矩阵。

用下列方法定义求解列表格式： 命令：HROUT

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

这个选项决定ANSYS如何在打印输出（Jobname.OUT）中对谐波自由度结果进行列表。

用下列方法指定方程求解器： 命令：EQSLV

GUI: Main Menu>Solution>Analysis Options

可以选择波前求解器（缺省），Jocobi共轭梯度（JCG）求解器，或不完全的Cholesky共轭梯度（ICCG）求解器。对大多数模型推荐使用JCG求解器。

步骤四：在模型上施加载荷

由谐波分析的定义可知，假定任何施加的载荷随时间是简谐（正弦）变化的。在声学分析中完整地指定一个谐波载荷，通常需要两条信息：强迫力的频率和振幅。振幅是载荷的最大值，强迫力的频率是谐波载荷的频率（循环/时间）。可用HARFRQ命令或GUI途径Main Menu>

Solution>Time/Frequenc>Freq & Substeps在随后的载荷步中指定它。