建立声固耦合模型

声固耦合模型的建立

所谓声固耦合模型是指所建立的模型声场和结构场之间能够相互影响相互作用的模型。噪声是由振动引起的，但并不是相同的振动都会产生同样的噪声，还与系统声学特性密切相关。当空腔壁板受到外界激励后引起车身壁板振动，同时壁板的振动还要受到空腔流体介质（空气）的制约，壁板振动产生噪声，在经过驾驶室内空腔的放大或衰减，反过来产生的噪声同样在壁板上放大或抑制壁板的振动，外界激振力输入后经过这样的耦合后传到受声点，才形成最终的车内噪声。这说明空腔四周壁板的机械振动和内部声腔空气的声振动相互耦合，相互影响的。因此，单独考虑空腔结构本身的振动模态或单独考虑空腔声学模态都不能反映力—振动、振动—声、声—振动这样的系统耦合特性。而必须将结构振动和空腔流体介质（空气）耦合起来考虑耦合体统的模态参数，才能跟准确、更真实的反应实际情况。

有限元软件ANSYS能够进行结构动态特性分析和耦合声场分析，但这需要建立声固耦合模型。因此本文就建立声固耦合模型的方法结合实例做简要的介绍。

ANSYS中建立声固耦耦合有限元模型和进行结构声学分析的步骤如下：

1、建立结构三维实体模型；

2、建立内部流质三维实体模型；

3、对结构和流质模型进行有限元网格划分；

4、设置流固耦合单元；

5、在求解器中进行振动模态求解和受激励的谐响应分析；

6、对计算结果进行后处理。

一、长方体空腔声固耦合模型的建立：

1、根据图纸定义各部分的几何形状（点、线、面和体）。本例的空腔结构尺寸如下图1所示：

图1 结构尺寸 根据尺寸建立结构的骨架和三维模型（包括流体模型）如图2、图3所示：

图2 结构骨架 图3 三维实体

2、建立结构和空腔流体的材料特征库。骨架与钢板密度 7800kg/m3，弹性模量E 2.1 1011N/m2，泊松比 0.3，空腔钢板厚度2mm。空气密度 1.21kg/m3，声速c 344m/s。

3、选择和定义单元类型，并对以建立的几何要素赋以单元类型。该封闭腔有梁和板组成的，在ANSYS中采用其中紧贴结构的流体采用“接触型”单元（FLUID30，keyopt（2）=0：structure present）表示声固耦合单元（编号1）；内部声场用三维流体单元（FLUID30，keyopt（2）=1：structure absent）表示（编号2）；三维弹性壳单元（SHELL63）代表封闭腔的壁（编号3）；梁单元（BEAM188，截面0.05×0.05m）表示梁（编号4）。

4、对已赋单元类型的几何要素进行网格划分。在划分流体网格时要注意网格尺寸，网格划分过于粗糙会产生较大误差。对于线性有限元和边界元模型来说，通常假设在最小波长内有6个单元，也就是最大单元的边长要小于计算频率最短波长的的1/6，或者要小于最高计算频率点处的波长的1/6；对于二次单元，最大变长要小于计算频率最短波长的1/3，或者要小于最高频率点出的波长的1/3。假设声音在某流体介质中的传播速度是c，某个单元的长度是L，给定单元如果是线性单元，那么这个单元可以计算到的最大频率为

cfmax 6L

如果知道了计算的最高频率，那么单元的长度应满足：

L c 6fmax

本例中单元长度为0.1m，计算最高频率为200Hz，满足计算要求。划分好的空腔声学网格和结构网格如下图4所示。

图4 声学有限元和结构有限元模型

5、网格划分好之后，根据分析要求要在结构与流体之间设置流固耦合单元，它是将结构与流体联系在一起的单元，是结构到流体的过渡。它的设置主要有以下要求：必须是设置在所有结构与流体接触的单元上；只能设置一层这样的单元。流固耦合单元是将FLUID30单元的keyopt（2）设置成0即可。具体操作方法为：

（1）选择表面所有节点；

（2）选则依附与节点的单元；

（3）选择上步中单元中的流体单元；

（4）将上步中的一层流体单元转换成1号单元；

（5）结束声固耦合，形成流固耦合标志。

上述步骤可以用命令表示：

ASEL,S,,,ALL !选择所有表面

NSLA,S,1 !选择面上的节点

ESLN,S,0 !选择与节点连接的所有单元

ESEL,R,TYPE,,2 !选择当前集中的2号单元

EMODIF,ALL,TYPE,1 !将当前单元强制转换为1号单元（必须在前处理器中输入） SF,ALL,FSI !结束耦合并形成耦合标志

形成的声固耦合模型如图5所示：

图5 声固耦合模型