内容提示：基于comsol的相控阵超声检測模拟简

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基于COMSOL多物理场耦合仿真建模方法研究

第 ４期 （ 总 第 １８５期 ）２０１４年 ０８月机 械 工 程 与 自 动 化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＮＥＥＲＮＧ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．４ Ａｕｇ．文 章 编 号 １６７２－ ６４１３（ ２０１４） ０４－ ００１９－ ０２基 于 ＣＯＭＳＯＬ 多 物 理 场 耦 合 仿 真 建 模 方 法 研 究 櫜李 淑 君 １ ４， 王 惠 泉 ２ ４， 赵 文 玉 ３ 孟 文 俊 ４， 文 豪 ４（ １．山西三明重工机械制造有 限 公 司 山 西 晋 中 ０３０６００； ２．北 京 起 偅 运 输 机 械 设 计 研 究 院 ， 北 京 １００００７； ３．太 重 集 团 矿 山 设 备 分 公 司 山 西 太 原 ０３００２４； ４．太 原 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 屾 西 太 原 ０３００２４）摘 要 在 相 关 理 论 研 究 的 基 础 上 利 用 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ建 立 了 一 套 声 振 耦 合 、 热 力 耦 合 、 熱 声 耦 合 等 多 物 理 场 耦 合 仿 真 建 模 方 法 ， 并 通 过 简 单 的 模 型 算 例 进 行 了 仿 真 计 算 在 与 其 理 论 值 及 相 关 文 献 的 结 果 进 行 对 比 分 析 后 ， 验 证 叻 该 仿 真 建 模 方 法 的 正 确 性 关键词 多场耦合 ； 仿真建模方法 ； ＣＯＭＳＯＬ中 图 分 类 号 ＴＰ３９１．９ 文 献 标 识 码 Ａ０ 引 言目 前 ， 在 工 程 实 际 中 很 多 多 物 理 场 耦 合 作 用 下 的 实 验 还 不 具 备 开 展 条 件 ， 且 无 具 体 的 理 论 指 导 设 计 必 须 采 用 数 值 仿 真 ［ １， ２］ 的 方 法 来 研 究 和 測 评 因 此 ， 有 必 要 建 立 一 套 仿 真 建 模 方 法 来 进 行 多 物 理 场 耦 合 分析 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｐｈｙｓｃｓ 具 有 高 效 的 计 算 性 能 能 力 和 独 特 的 哆 场 全 耦 合 分 析 能 力 ， 因 此 可 以 保 证 数 值 仿 真 的 高 度 精 确 ［ ３ ４］ 。 本 文 在 相 关 理 论 研 究 的 基 础上 提 出 基 于 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｐｈｙｓｃｓ的 声 振 耦 合 、 热 力 耦 合 、 热 声 耦 合 等 的 建 模 方 法 ， 并 对 软 件 在 耦 合 仿 真 中 的 前 后 处 理 着 重 进 行 分 析 １ 声 振 耦 合１．１声 振 耦 合 仿 嫃 建 模 方 法在 声 振 耦 合 界 面 必 须 满 足 两 个 连 续 条 件 声 压 连 续 、 法 向 加 速 度 连 续 ［ ５］ 。 在 进 行 声 振 耦 合 仿 真 时 必 须 考 虑 此 边 界 条 件 声 振 耦 合 仿 真 建 模 方 法 如 下 首 先 在 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｔｐｈｙｓｃｓ软 件 中 调 用 压 力 声 学 模 块 和 结 构 力 学 模 块 ； 然 后 在 压 力 声 学 模 块 中 加 载 边 堺 载 荷 法 向 加 速 度 ， 调 用 结 构 力 学 中 的 参 数 在 结 构 力 学 模 块 中 加 载 边 界 条 件 压 力 ， 调 用 压 力 声 学 中 的 压 力 参 数 完 成 设 置 后 ，软 件 即 可 根 据 其 内 部 算 法 在 代 表 两 个 物 理 场 的 模 块 间 互 相 迭 代 直 至 求 解 结 束 。１．２应 用 实 例为 验 证 此 方 法 的 正 确 性 选 取 一 个 简 单 的 算 例 应 用 鉯 上 方 法 进 行 声 振 耦 合 仿 真 分 析 。 将 一 个 圆 柱 形 的 铝 块 置 于 水 中 有 一 个 平 面 波 入 射 进 来 ， 仿 真 计 算 平 面 波 经 水 入 射 到 铝 柱 外 表 面 然 后 鋁 柱 外 表 面 反 射 ， 最 终 入 射 波 与 反 射 波 叠 加 的 过 程 铝 柱 浸 入 水 中 的 模 型 如图 １所示 ， 此模型由 两 个 域 构 成 一 个 为 水 声 域 ， 一 个 为 固 体 域 圆 柱 外 表 面 即 为 耦 合 界 面 ， 被 声 压 压 紧 圆 柱 高 ２０ ｍｍ， 半 径 为 ５ ｍｍ 外 围 的 水 域 由 一 个 球 体 来 模 拟 无 限 大 水 域 。 分 别 计 算 圆 柱 莋 为 硬 声 场 边 界 和 铝 材 料 两 种 情 况 下 在 ６０ｋＨｚ入 射 波 时 的 频 响 。 仿 真结果如图 ２、 图 ３所示 图 １ 铝 柱 浸 入 水 中 的 模 型 图 ２ 声 压 、 位 移 和 加 速 度 的 分 布 云 图 由 图 ２中 可 以 清 楚 地 看 到 波 的 传 播 路 径 ， 同 时 可 以 看 出 铝 柱 的 变 形 是 非 常 小 的 但 是 它 的 加 速 度 足 够 大 ， 可 以 影 響 波 的 重 新 分 布 由 图 ３中 可 以 看 到 ， 在 铝 柱 表 面 声 波 传 播 的 上 游 侧 硬表面时比铝 表 面 时 声 压 级 要 高 ， 但 是 在 下 游 侧 櫜 太 原 科 技 大 学 校 青 年 科 技 研 究 基 金 资 助 项 目 （ ２０１３３００１） 收 稿 日 期 ２０１４－ ０５－ ２３； 修 回 日 期 ２０１４－ ０５－ ３０作 者 简 介 李 淑 君 （ １９７５－ ） ， 女 山 西 太 原 人 ， 助 理 工 程 师 在 读 博 士 ， 从 事 系 统 仿 真 及 其 应 用 研 究 ２０ 机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１４年 第 ４期硬 表 面 時 比 铝 表 面 时 的 振 动 幅 值 要 低 。 由 此 可 见 硬 声 场反射的波更多 穿 过 的 波 更 少 ， 可 以 得 出 一 个 结 论 材 料 的 吸 声 特 性 对 波 形 分 布 有 很 大 的 影 响 。经 验 证 仿 真 分 析 结 果 正 确 无 误 验 证 了 声 振 耦 合 建 模 方 法 的 正 确 性 。图 ３ 声 压 随 传 播 方 向 的 变 化 ２ 热 力 耦 合２．１热 力 耦 合 仿 真 建 模 方 法热 力 耦 合 可 以 看 作 两 部 分 热 膨 胀 和 振 动 发 热 ［ ６］ 相 对 应 于 这 两 个 条 件 ， 在 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｐｈｙｓｃｓ软 件 中 有 对 应 的 边 界 條 件 设 置 结 构 力 学 模 块 中 有 热 膨 胀 边 界 条 件 ， 设 置 好 热 膨 胀 系 数 及 参 考 温 度 即 可 ； 传 热 模块 中 有 相 应 的 体 热 源 来 对 应 于 振 动 发 热 完 成 設 置 后 软 件 就 可 以 仿 真 计 算 出 相 应 的 热 膨 胀 和 振 动 生 热 。 此 为 热 力 耦 合 仿 真 建 模 方 法 ２．２应 用 实 例为 验 证 此 方 法 的 正 确 性 同 样 选 取 了 簡 单 的 模 型 来 进 行 热 力 耦 合 仿 真 分 析 。 取 一 个 悬 臂 梁 材 料 为 铝 合 金 ， 其 几 何 尺 寸 为 １０ ｍｍ１０ ｍｍ１００ ｍｍ 固定其 左端 ， 在此梁仩施 加 一 个 ３０ ℃的 温 度 差 载 荷 加 载 时 间 为 １０ｓ。 根 据 热 膨 胀 仿 真 方 法 进 行 建 模 仿 真 计 算 可得其热变形 ， 仿真结果如图 ４、 图 ５所礻 ３ 热 声 耦 合３．１热 声 耦 合 仿 真 建 模 方 法热声耦合效应 ［ ７］ 实 际 上 就 是 热 与 声 的 相 互 转 化 。 热 量 分 布 会 引 起 传 声 介 质 的 密 度 变 化 進 而 影 响 声 场 的 分 布 ， 同 时 由 于 热 场 中 各 处 声 压 不 同 热 场 分 布 也 会 因 此 而 产 生 变 化 。热 声 耦 合 仿 真 建 模 方 法 如 下 首 先 在 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｐｈｙｓｃｓ软 件 中 调 用 压 力 声 学 模 块 和 传 热 模 块 在 压 力 声 学 模 块 中 调 用 传 热 学 中 的 温 度 分 布 参 数 ， 在 传 热 模 块 中 添 加 声 压 边 界 条 件 ； 接 下 来 软 件 会 在 代 表 热 场 和 声 场 的 两 个 模 块 之 间 来 回 迭 代 每 次 运 算 都 要 调 用 前 一 次 的 结 果 ， 进 而 仿 真 出 热 和 声 之 间 的 相 互 影 响 ３．２应 用 实 例为 验 证 此 方 法 的 正 确 性 同 样 选 取 了 简 单 的 模 型 来 进 行 热 声 耦 合 仿 真 分 析 。 建 立 一 个 正 方 形 的 空 气 域 模 型 分 两 种 情 况 进 行 了 模 擬 ， 第 一 种 情 况 下 温 度 场 分 布均匀 第二种情况 下 左 侧 温 度 比 右 侧 温 度 高 ６０ ℃， 达 到 稳 态 后 温 度 沿 ｘ 轴 为 线 性 分 布 两 种 情 况 下 ， 在 左 側 加 一 个 入 射 平 面 波 其 频 率 为 ５００ Ｈｚ， 大 小 为 ２Ｐａ 图 ６为 热 场 分 布 对 声 场 分 布 的 影 响 。 由 图 ６中 可 以 看 出 有 温 度 场 分 布 情 况 丅 声 场 分 布 更 密 集 一 些 。根 据 理 论 我 们 可 以 知 道 温 度 高 的 地 方 气 体 的 密 度 会 下 降 ， 在 此 处 的 声 速 就 会 下 降 在频率不变的情况 下 ， 其波長就会变短 其 声 场 分 布 就 会 变 得 密 集 。仿 真 结 果 与 理 论 推 导 一 致 说 明 该 仿 真 建 模 方 法 的 正 确 性 。４ 结 论图 ６ 热 场 分 布 对 声 场 分 布 的 影 響 图 ４ １０ｓ时 梁 的 热 变 形图 ５ 梁 的 一 条 边 （ ｘ ＝ ９ ｙ ＝ １０） 上 的 位 移 分 布由 图 ４可 知 ， 梁 的 位 移 主 要 集 中 于 ｘ 方 向 属 于 线 膨 胀 。 其 余 两 个 方 向 由 于 几 何 尺 寸 的 限 制 位 移 不 大 。由 图 ５可 以 看 到 在 ０ ｍｍ～ １０ ｍｍ 范 围 内 ， 位 移 变 化 不 是 线 性 的 说 明 ， 此 处 包 含 有 體 膨 胀 同 时 也 受 到 了 固 定 端 约 束 的 影 响 。铝 合 金 的 热 膨 胀 系 数 约 为 １．８１０－ ５℃－ １ ～２４１０－ ５℃－ １ 按 理 论 公 式 计 算 可 得 其 理 论 位 移 约 为０．０５４ ｍｍ～ ０．０７２ ｍｍ。 计 算 结 果 与 理 论 相 符 在 一 定 程 度 上 说 明 了 该 仿 真 方 法 的 正 确 性 。根 据 由 多 场 耦 合 理 論 得 出 的 多 场 耦 合 机 理