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基于Nastran的能量有限元方法(EFEA)介绍

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搞声振响应预示的人都知道,传统的预示方法为:低频用有限元方法(如Virtual Lab、actran),高频用统计能量方法(VA ONE),但这两种方法存在各自的局限。传统的有限元(FEA)为了满足计算精度的要求,单元数会随频率的升高呈几何级数增长,计算规模和时间也陡然增加;同时由于单元数量的剧增,形函数引起的局部误差也会由于累积而被显著放大,计算精度也得不到保证。因而不适合求解高频振动问题。统计能量分析法(SEA)虽然是现在做能量流分析的最成熟的方法,但也存在一定的局限性。由于统计特性的需求,较粗且合理的子系统划分需要一定的经验,这使其难以精确预示子系统内局部位置的响应,也就无法充分表征结构的几何特性,无法有效反映子结构的非均匀阻尼特征或非均匀载荷特性,且不易进行实际结构形态的设计与优化。

    在MSC Nastran 2010版本里,增加了用于中高频声振响应预示的新方法——能量有限元方法的软件模块EFEA。能量有限元方法(EFEA)是用来预示结构中高频动响应的一种新方法,它视能量以波动形式在结构中传递,以有限元离散结构,从而可得到结构上所有感兴趣点的能量及响应信息,使结构的局部几何特性及阻尼特征可以得到充分表达,非均匀分布的载荷也能严格描述。而相比SEA来讲,EFEA能够对局部阻尼或局部受载结构的局部响应进行预示,在获取结构中高频局部响应特性方面具有独特优势;EFEA的这些优点使得它在分析复杂结构时,能够深入反映结构的复杂细节信息,非均匀结构材料特征均能得到有效的考虑,因此EFEA是复杂结构中高频响应预示的有效工具,是一种非常具有研究价值和发展前景的中高频动响应预示方法。

    EFEA 目前能够支持梁结构单元、板、壳结构等2D单元、3D声单元,还包括一些特殊的单元如spring/isolator、acoustic treatment等。对于声单元,EFEA 支持CHEXA (8-node)、 CPENTA (6-node) 、CTETRA (4-node) 单元。对于2D单元,EFEA支持CQUAD4 (4-node) 、CTRIA3 (3-node) 单元。对于1D单元,支持CBAR、CBEAM单元。这里我们用一个带内部声场的简单圆柱结构介绍如何使用EFEA软件,建立EFEA模型的基本步骤如下:

1、采用前处理软件建立合适的有限元模型

    这里可以采用任意的有限元建模软件如patran、hypermesh等。这里要说明的是,单元网格可以足够粗,只要和几何特征匹配即可。建模完成后,导出为MSC.NASTRAN的短格式文件,记住要做equivalence处理。文件中包含了单元节点信息,材料属性信息。在这个例子中,同时包含了结构单元和声单元,记住,两种介质接触部分的单元需要匹配,并用不同ID的重复节点来匹配。图 1是圆柱结构单元,图 2是内部声单元,结构单元和声单元在接触面处需要匹配,也就是说拥有相同位置坐标,但节点ID不同。与之不同的是,当结构单元和1D梁单元匹配时,则不需要这种操作。


图 1 结构单元


图 2 声单元

 

2、运行能量有限元前处理器Pre-EFEA

    运行能量有限元前处理器需要两种输入文件:步骤1 的有限元文件和软件自带的“data.inp” 文件。“data.inp” 文件展示如图 3所示。


图 3 “data.inp” 文件

“data.inp” 文件代码 FILE example1.dat 是定义输出文件名叫example1.dat,ANGLE 10.0 是定义板与板连接的判定角度为10°,DIST 0.001 是定义板与声连接的判定距离为0.001。运行pre_efea.exe ,程序将根据“data.inp” 文件读取有限元模型,获取到模型的几何信息,并将材料属性修改为EFEA格式,建立组件之间的连接关系(PJOINT、BPJOINT)以及结构与声之间的连接关系(PAJOINT、APAJOINT)。


图 4 pre_efea代码定义的板-板连接(红线)

pre_efea输出的总结信息可以在“pre_efea.log” 文件中查看。


图 5 “pre_efea.log” 文件

输出的文件将包含所有EFEA格式的修改后的节点和单元,连接、材料(MPLATE、MBAR、MRIB等)、属性信息(PLATE、 PBAR、RIB等)。


图 6 “model-all.dat” 输出文件的属性定义部分

3、修改前处理输出文件

用户需要从前处理输出文件手动修改为后处理所需的输入文件,提供以下信息:

l  激励。如输入功率、力、位置和频率。用来定义激励的EFEA卡片命令有:PLATEF, PLATEB, PLATEIP, PLATESH, ACOUS, ASOURCE, EDPLTB, EDPLTIP, EDPLTSH, EDACS, TBL。

l  材料属性。如结构、声。用来定义材料属性的EFEA卡片命令有:MPLATE, PACOUS, MBAR, MRIB, and MISO。

l  几何属性。用来计算辐射效率。用来定义几何属性的EFEA卡片命令有:PLATE, PBAR, RIB, ISO, EFEA_PS, and LGOPENING。

l  吸声属性。用来声学设计。用来定义吸声属性的EFEA卡片命令有:TMMAT、TMDFACE。

l  求解器选项。METHOD命令。

l  输出格式要求。用来定义输出格式的EFEA卡片命令有:OUTFILE, OUTSTR, OUTACS, OUTBM, OUTDB, REFSPL,REFE。

图 7 修改后“model-all.dat”

4、运行能量有限元后处理器efea.cmd

这里需要在efea.cmd命令流中加入以下命令行:

EFEA  model-all.dat  outputfile

outputfile为自己定义的结果文件名。

5、在patran中查看计算结果

在步骤3中用了OUTFILE PATRAN 命令后,EFEA软件会以PATRAN *.nod的格式输出patran可以识别的结果文件。每个文件对应一个频域与工况,即你可以查看这个频域下的响应云图,结构结果包括弯曲波能量密度、纵向波能量密度、剪切波能量密度、法向速度,声场结果包括声能量密度、声压和声压级。而且将结构和声的结果分开,分别以“s_freq=XXX_subcase=YYY.nod”和“a_freq=XXX_subcase=YYY.nod”的格式命名。‘XXX’ 和 ‘YYY’对应频率值和工况。“snod.res_tmpl”和“anod.res_tmpl”为导入*.nod文件之前所需的模板文件。下面是操作步骤:

(1)将模型导入patran

l  将efea后处理文件复制到新的文件中

l  删除“FREQ”, “SUBCASE” , “ENDSUBCASE”命令行

l  将模型数据文件分割成结构模型文件和声模型文件。以PJOINT命令为界,前部分为结构模型,后部分为声模型,分开存成两个文件。这样做的目的是为了后处理分别显示结构和声的结果。

l  用MSC.Nastran Input导入需要的模型(结构或者声)。下面以声为例。


图 8 导入EFEA模型

(2)导入PATRAN ‘.nod’结果模板和结果文件

l  点击[File] -> [Import]

l   [Object]中点击[Results], [Format]中点击[PATRAN 2 .nod…]

l  在“Template for PATRAN 2.5 Import Results”窗口找到EFEA模型所在的文件位置,选择“anod.res_tmpl”文件


图 9 导入patran模板

l  点击OK

l  在“Import”窗口,找到EFEA模型所在的文件位置,选择“a_freq=1000_subcase=1.nod”文件

l  修改“Zero Tolerance”值为0。

l  点击[Apply]


图 10 选择结果文件

(3)云图结果

l  点击[Results]

l  “Select Fringe Result”选项中选择“SPL, Acoustic”

l  点击[Apply]

图 11 声场SPL云图

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首次发布时间:2020-09-21
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