基于abaqus的水下结构声辐射仿真方法

《基于abaqus的水下结构声辐射仿真方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于Abaqus的水下结构声辐射仿真方法　　摘要：提出一种在Abaqus中直接完成辐射声场仿真的方法，该方法可大大减少流场网格层数.利用无限元的计算结果求解任意远处球形声场的声压；结合弹性球壳的解析解算例验证该方法的正确性，并将该方法拓展到细长型结构中.结果表明：基于Abaqus无限元的水下结构声辐射的计算方法简单、可行；采用有限元与无限元相结合的方法可以大幅度缩小流场区域.　　关键词：水下结构；声学无限元；声介质；声辐射；球壳　　中图分类号：TB532文献标志码：B　　0引言　　随着现代潜艇隐身技术的发展，带肋圆柱壳体作为潜艇的典型结构形式，其在无限介质中的

2、流固耦合振动和声辐射问题日益成为研究的热点.采用仿真分析的方式研究水下结构声辐射问题可节省大量的试验费用，是当前的主要研究方法.8　　一般来说，水下结构的振动声学分析方法主要有解析法和数值法2类.解析法只适用于计算少数具有正交曲面的弹性结构（如球面和圆柱面等结构）的辐射场.采用解析法求解复杂结构的声学问题很困难，因此对于一般形状的物体应采用数值法进行求解.目前，声辐射的数值法很多基于模态叠加法，由于高频模态较为密集且结构模态阻尼难以准确测量，因此直接法求解结构声辐射有很多优势.商德江[1]提出首先在有限元中计算模型在激励力作用下的流固耦合动力响应，再利用结构表

3、面的位移作为边界元的边界条件，计算声学物理量的计算方法.姚雄亮等[2]将ANSYS与Sysnoise相结合对双层壳体水下振动和声辐射进行仿真分析，认为利用2种软件相结合的方法对水下复杂结构的振动和声辐射进行数值计算完全可行.缪旭弘等[3]通过Abaqus和声固耦合算法对双层圆柱壳的水下噪声辐射特性进行计算和分析，计算值与实验数据吻合较好.以上方法均采用声学无限元或边界阻抗技术的处理方式实现无限大流场，一般需要建立足够大的水体模型来满足声学边界条件，水体单元需要涵盖到声压分析位置，或者使用Sysnoise软件求解任意远场点的声压.　　Abaqus具有较强的建模与

4、计算分析能力，但在声学后处理方面稍显薄弱.本文提出一种在Abaqus中直接完成辐射声场仿真的方法，利用弹性球壳的解析解算例验证不同建模方式时声辐射结果的正确性.结果表明：Abaqus中的无限元技术可以采用较小流场进行水下结构振动分析，求解得到的任意远场点的声辐射结果精度满足分析要求.　　1理论背景　　1.1有限元方程　　有限元对模型进行分析是通过对模型进行离散后求解波动方程和运动方程实现的.在流固耦合面上，结构振动会产生流体负载，而声压同时对结构产生附加力，所以必须同时计算结构动力方程和流体域的波动方程，用统一的矩阵形式表示为Ms　　ρRf0　　Mfu¨8　　

5、p¨+Cs　　00　　Cfu?　　p?+Ks　　0-Rf　　Kfu　　p=Fs　　0（1）式中：Ms为结构质量矩阵；Ks为结构刚度矩阵；Cs为结构阻尼矩阵；Mf为流体质量矩阵；Kf为流体刚度矩阵；Cf为声阻尼矩阵，Rf为流固面上的耦合矩阵；ρ为流体介质密度；u和p为节点的位移和声压向量；Fs为结构的载荷向量.用式（1）可以同时得到流固面上的位移和声压值.　　1.2无限流场模拟　　声波在有限流场中传播时，由于边界阻抗的存在，在流场的边界必然存在声波的反射.采用声学无限元技术后，由声学介质组成的流场能够满足在流场无穷远边界上的Sommerfield辐射条件limr

6、r→∞（pr+jkp）=0（2）2有限元建模　　2.1网格划分　　有限元分析中的网格划分好坏直接关系到模型计算的准确性.根据波动理论，单元长度的细化标准为在一个弯曲波波长内要有4个以上单元.板的弯曲波波长近似计算公式为r=δ212（1-μ2）（3）　　λB=2πrCB/f（4）式中：r为板的惯性半径；δ为板厚；μ为泊松比；8λB为弯曲波波长；CB为弯曲波波速；f为计算频率上限.为适应计算数据的分布特点，应在结构不同部位采用疏密变化的网格.　　流体网格应保证每个声波波长内网格数量大于6个，同时流体与结构耦合面网格尺寸应与结构保持一致，水体单元采用声学单元模拟.　

7、　2.2声学无限元技术建模　　声学无限元技术要求在结构中设置参考点作为声场分析的原点，一般应将无限元设置成外凸形状.在Abaqus中可以利用“skin”在水体外边界上定义无限元，并赋予“acousticinfinite”属性.在网格划分时采用相应的声学无限元单元，即完成无限元边界定义.结构表面与水体的接触面用关键字“TIE”实现，使用该关键字可以使水体与结构表面始终保持接触状态而不分离.[4]　　2.3场点声压计算　　通过声场分析插件“acousticVisualization”可将无限元的声压计算结果拓展到任意远球壳声场上[5]，目前仅支持基于直接法的稳态声

8、振耦合计算结果文件，且结果文件中必须包