ABAQUS中声固耦合的应用

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　　在计算水中结构物的各项性能时，不可避免会涉及到流体与船体外表面的耦合效应。例如：在考虑潜艇在水中的各项性能方面，ABAQUS中的声固耦合方法绝对是最方便高效的有限元软件。下面将以潜艇的基本结构(环肋圆柱壳)的接触设置，向大家介绍ABAQUS中流固耦合向声固耦合的转换。

　　用ABAQUS中计算水下结构时，采用声固耦合法来实现流体与固体之间的耦合作用，需要用声学介质来描述包围在圆柱壳外部的水域。水域模型由居中的圆柱体和两端的半球体组成。为了提高计算效率而不影响计算精度时，这里选取的水域模型的半径是圆柱壳半径的4倍，水域靠近结构表面的单元较密。导入建好的有限元模型之后，如下图所示。


　　图1 模型示意图


　　模型导入之后需要在ABAQUS/CAE中改变单元类型：结构单元采用三维应力单元C3D8R，流体单元采用Acoustic(声学)单元AC3D8R。

　　图2 声学单元设定界面

　　正确模拟流体和结构之间的相互作用是分析水下问题的关键，ABAQUS基于表面使用“Tie”中的Surfaceto Surface约束，通过线性动量守衡将结构的位移场和流体的压力场耦合起来。在结构和流体的界面处不需要网格一一对应，但为保证耦合精度，通常要求网格大小一致，且需根据曲面形状分面进行耦合定义。系统通过“Tie”约束自动对耦合进行计算，通常选取圆柱壳结构与水域耦合的湿表面作为耦合面。


　　在ABAQUS/CAE面板中设置声固耦合面的操作如下图所示：

　　图3 声固耦合设置界面

　　另外需要注意的是，水域的外表面需要施加无反射边界面以模拟无限水域。在ABAQUS/CAE中的接触里选择Acoustic impedancy定义Nonreflecting，本例中两种无反射类型：一种是中间部分圆柱形状，另一种是两端球形，两者均要输入半径，分别进行选择赋予。

　　在ABAQUS/CAE面板中设置无反射边界面的操作如下图所示。

　　图4 无反射边界面的设置


　　进行以上两步操作之后就定义了的声固耦合以及无反射边界面两种水下计算必要的条件，如下图所示。

　　图5 声固耦合与无反射边界示意图

　　至于声固耦合面是否添加正确，声学单元与结构单元是否正确连接?

　　很简单，我们可以进行模态分析进行验证。对该内环肋圆柱壳结构的有限元模型进行湿模态分析(即在进行模态分析过程中考虑附连水质量的影响)，得到如下图所示的湿模态振型图。可以看出，壳体湿表面与水域耦合良好，即声固耦合正确施加到模型中。

　　图6 湿模态验证


　　检验好模型的正确性之后就可以进行水下结构的各种复杂的有限元分析。当然ABAQUS中强大的声固耦合算法不仅适用于水下结构物，同样适合于航空航天领域。

转自：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... nuKGU8l0KKUcCUT0#rd