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干模态与湿模态对结构振动和辐射声场的影响 李增刚 （北京诺思多维科技有限公司，forengineer@126.com ） 摘要：本文用NEi Nastran 有限元软件计算了一个封闭盒子的干模态和湿模态， 对比干模态和湿模态的模态频率和阵型的不同，用干模态和湿模态计算了结构的 振动响应，对比用干模态和湿模态计算的振动响应的不同，本文还用干模态和湿 模态用声-振耦合的方法计算出了封闭盒子的辐射声场，对比干模态和湿模态辐 射声场的不同。通过对比得到在周围流体介质的密度较大的时候，必须考虑流体 介质对结构振动和声场辐射的影响，也就是必须用湿模态进行振动和声场计算。 关键词：干模态 湿模态 NEi/Nastran 振动响应 声场响应 1 湿模态的概念 通常我们所说的结构模态，都是在真空中的结构模态，不考虑周围流体的影 响下的模态，这种模态可以称为“干模态”，即不受流体影响的模态。而实际中， 我们通常计算的结构都是被流体“包围”着，例如在空气中行驶的汽车，周围被 空气包围着，在水中行驶的船，周围被水包围着，或者部分被水包围着。在不考 虑车身周围的空气的影响下，我们计算的车身模态都是干模态，因为空气的密度 比较小，空气对车身模态的影响比较小，我们可以把车身的干模态当成车身在空 气中的湿模态，即忽略空气的影响，误差也不会太大；而在水中行驶的船，由于 水的密度比较大，水对结构模态的影响比较大，如果忽略水的影响，那么计算出 来的模态 （干模态）就与实际的船的模态误差就很大，此时就必须考虑水的影响， 计算湿模态。 2 计算模型 下面对比同一个结构件的干模态与湿模态在频率、阵型、振动响应、声振耦 合下的声学响应的差别（载荷输入相同）。计算模型如图 1 所示，是一个封闭的 盒子，几何尺寸长是 0.5m，宽和高都是 0.25m，厚度是 0.5mm，单元尺寸是 20mm ， 单元总数是 1638 个，材料取钢（弹性模量2.1e11Pa,泊松比 0.3，密度 7800Kg/m3 ）, 干模态和湿模态都是用 NEi Nastran 来求解，计算无约束自由模态。NEi Nastran( )相对于其他有限元求解器来说，其计算速度快，计算精 度高，而且功能强大。 湿模态的计算只需要定义哪些单元被流体“浸湿”了，是单面还是双面浸湿， 以及流体的密度。这里取封闭盒子的所有单元的外表面(单面)被浸湿，外面的流 体是水，密度取 1000Kg/m3。 图 1 封闭盒子有限元模型 3 频率和阵型 表 1 所示是自由状态下，干模态和湿模态频率的差异，湿模态的计算以封闭 盒子的外侧（单侧）有水，水的密度取 1000Kg/m3。干模态和湿模态均用Lanczos 法提取，模态位移用模态质量归一。在 200Hz 以内，干模态有51 阶（含刚体模 态），而湿模态有 131 阶（含刚体模态），多出 80 阶模态。从表 1 中可以看出干 模态和湿模态的频率存在巨大的差异。 表 1 干模态频率和湿模态频率 干模态 湿模态 Number Frequency (Hz) Number Frequency (Hz) Number Frequency (Hz) 1 0 1 0 67 89.923 2 0 2 0 68 92.5944 3 0 3 0 69 92.5968 4 0 4 0 70 94.739 5 0 5