[发明专利]一种轻流体下和结构的声振耦合的模拟方法

说明书

本发明涉及一种轻流体下和结构的声振耦合的模拟方法，建立施加结构上的每单位面积的外力情况下的结构位移和流体中声压方程；建立耦合问题的变分公式；对变分公式有限元离散化为结构的质量矩阵和刚度矩阵、作用于结构上的外部加载节点向量、流体的动能和压缩能矩阵以及结构与流体之间的表面耦合矩阵后，采用流体‑结构界面的有限元离散化，获得耦合系统方程的离散化；耦合系统投影到非耦合系统和流体模态基础上，计算出结构的动能和流场内声压的分布情况。在流体弱耦合的情况下，使用耦合的模态基能准确计算出结构的动能和流场内声压的分布情况，实现动能和声能的能量转化。有效的预测结构和流体的变化导致的声能结果的改变。

技术领域

本发明涉及一种声振耦合技术，特别涉及一种轻流体下和结构的声振耦合的模拟方法。

背景技术

通常，我们必须研究结构与周围流体相互作用的问题。这种相互作用的重要性取决于流体的性质和结构的特点。一个表征板状结构耦合量的简单准则公式如下：

其中：h_s表示结构的厚度；ρ_s表示结构的密度；ρ₀表示流体的密度；c₀表示流体中的声速；ω_c表示结构的特征频率。

对于β_c1，耦合被认为是弱的。这通常是结构与轻流体耦合的情况。在这种情况下，可通过如下方法来表征系统的振动声学行为。它包括两个步骤：

1）通过忽略与流体的耦合来计算结构的振动响应；

2）以结构位移作为边界条件计算声响应。

对于β_c1或≈1，耦合被认为是强的。这是当结构在重流体内辐射时的情况。在这种结构中，流体改变了结构的振动和声学响应。为了充分地模拟这种情况，有必要考虑流体的负荷。换句话说，必须同时求解控制波在流体和结构中传播的耦合方程。

不同类型的流体-结构相互作用耦合问题主要可分为三类：

1）内部问题：在这种情况下，流体域是有界的。用于解决耦合问题的公式通常是基于流体和结构的有限元方法。

2）外部问题：在这种情况下，流体域是无界的。用于解决耦合问题的公式是基于结构的混合有限元法和流体的边界元法。

3）内部/外部问题：在这种情况下，结构耦合了两个流体域。内部域是有界的，外部域是无界的（例如一个结构与内部腔耦合并在重流体中辐射的声辐射）。可以将结构有限元法与内流体域和外流体边界元相结合。

将强耦合中对内部问题解决方法用于弱耦合明显不适应，而忽略结构与轻流体耦合中流体-结构相互作用耦合问题中的内部问题不利于结构与周围流体研究发展。

发明内容

针对流体-结构相互作用耦合问题中流体在内部问题，提出了一种轻流体下和结构的声振耦合的模拟方法，特别适用于弱耦合下，模拟结构和流体声音振动大小的。

本发明的技术方案为：一种轻流体下和结构的声振耦合的模拟方法，具体包括如下步骤：

1）控制方程建立：设结构Ω_s是线弹性的，内部流体Ω_f是均匀的、理想的和静止的流体，建立施加结构上的每单位面积的外力情况下的结构位移和流体中声压方程；