流固耦合模态分析探讨

流固耦合法广泛地应用于汽车声学和噪声等控制领域,对空腔结构进行流固耦合模态分析,可以了解到声腔对结构模态的影响,为研究耦合系统的声学特性提供可靠的理论参考。在我们汽车结构振动领域应用相对较多的如油箱流固耦合、声腔耦合分析等,通过进行声腔与钣金耦合分析可以了解车身结构件的振动特性及灵敏度。模拟流体对结构动力学特性影响的分析方法有很多种,如流固耦合法、虚拟质量法等。本期通过一个简单的案例分享了解流固耦合的分析流程及相关特性影响。

一、相关理论

假设流体是均匀、无粘、无旋且可压缩的理论流体,基于小位移理论,并忽略了流固动量传递及局部压力-密度线性关系,其耦合方程为:

其中:Ms、Ks ---分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵;

Mf、Kf ---分别为流体的质量矩阵和刚度矩阵;

A ---流固耦合矩阵;

Fs、Ff ---分别为结构载荷和声载荷;

u ---结构节点位移向量;

p ---流体节点压力向量。

二、案例实战

2.1 本次建立的案例分析模型如图1所示,模拟车身钣金,命名为Structure,材料属性为钢材,弹性模量E=210000MPa,泊松比NU=0.3,密度RHO=7.85e-9ton/mm3。

车身结构模型如下图1所示:

图1 车身结构模型

2.2 根据车身结构模型建立如图2所示的声腔模型。声控属性为空气,命名为Cavity,设置材料密度1.2e-12ton/mm^3,声速345m/s。

图2 车身声腔模型

2.3 建立车身与声腔耦合模型,将车身与声腔模型导入,需要设置以下参数。

图3 结构模态求解设置

图4 耦合模态求解设置

图5 耦合模态工况设置

图6 流固耦合参数设置

图7 输出参数设置

2.4 模态求解。为了了解声腔模态与车身结构模态的相互影响,先分别单独计算出声腔和车身结构的自由模态。声腔的第一阶自由模态为刚体模态,声腔内各点的声压幅值相同,车身结构自由模态前6阶为刚体模态。以下结果均不包括刚体模态结果列表。

三、总结

1、从流固耦合结果可以看出,前后结构模态频率结果,在考虑声腔耦合作用后,结构的模态频率都有一定的变化;

2、耦合系统并不是两个系统简单的叠加,二者之间的相互作用会一定程度上改变原系统模态的频率和振型,有提升或降低。

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