工程機械，看Actran幫你解決疑難雜癥~

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1背景描述

拉美國家的噪聲規定被修訂到更低的水平,這促使CNH公司和其他的建筑設備制造商降低其產品的噪聲排放。新規范使用一個公式基于機器的功率來確定其允許的聲壓級。在這種情況下,新的標準要求噪聲相對于現有的設計降低大概6分貝。過去,CNH(美國工程與農業機械制造商)工程師一直依賴物理實驗來評估備選設計方案,這種方法的一個問題在于必須將所有可能設計的原型制備出來。以風扇為例,需要訂購風扇,有時護罩從供應商郵寄可能就需要幾周到幾個月時間。這之后,如果天氣適合,物理測試也需要幾周時間。物理測試提供的數據量是有限的,這就意味著工程師往往不得不通過猜測來得到最好的設計方式。“我們很久之前就已經能夠運用計算流體力學的方法模擬噪聲源了,但是還沒有一個準確的方法來模擬這些噪聲源產生的噪聲的傳播。”CNH的CFD,NVH和聲學的全球經理Panos Tamamidis博士說。2技術難點重型機械,建筑業等噪聲數值模擬中關鍵技術是:
(1) 聲源的精確預測
氣動噪聲預測采用非定常CFD計算三維流場和根據流場變量使用聲類比方法計算聲源。聲源預測的精度高度依賴于流場結果的精度。在CAE分析方面,建立三維真實模型的流場分析模型,存在網格量大,收斂困難和計算速度慢等難點。
(2) 聲學性能的精確預測

“Actran展示了其精確模擬我們現有產品的能力, 因此我們開始將這種能力引入到我們的產品開發流程中”。Panos Tamamidis博士說。Actran可以計算輻射聲場,聲壓,速度或者聲強圖,以及聲壓和功率級的頻響函數。3案例介紹針對某型號的輪式裝載機進行噪聲模擬,尋找影響機器噪聲的關鍵貢獻者并進行改善。基于ISO6393標準進行噪聲測量,六個麥克風分布于設備周圍半球形的特定位置(圖1),在設備高怠速條件運行時測定聲壓級。通過開啟和關閉風扇,開啟和關閉液壓泵,或掩蓋排氣來噪聲以更好地了解噪聲貢獻源的相對重要性,這一系列分析表明風扇是頭號噪聲貢獻源圖1 依據ISO6393的測試/分析設置圖2風扇附近垂直中間平面的漩渦分布在應用中,CHN工程師從CD-Adapco到Star-CCM+ CFD軟件對風扇進行瞬態模擬。他們將速度,密度和壓力場結果導入Actran,將其從時域轉化到頻域,并將其從CFD網格插值到聲學網格。圖3 Actran中氣動聲學模型設置Actran得到的仿真結果比物理實驗生成的信息更全面,這有助于CNH了解風扇中哪些改進是必須的。CNH工程師將風扇噪聲分為葉片通過頻率(葉片通過固定位置的頻率)噪聲和寬頻段噪聲(或多或少均勻分布在整個頻段)。圖4 葉片通過頻率處的聲傳播(相位)圖5 葉片通過頻率處的聲壓級工程師們得出結論,為滿足噪聲規范,風扇的總噪聲需要降低5dB, 其中葉片通過頻率噪聲需要降低4dB,寬頻段噪聲需要降低1dB。另外,降噪余下的工作通過將排氣噪聲降低1dB來實現。圖6 Actran預測風扇噪聲與測試數據的相關性圖7 消聲器出口和入口間的傳遞損失CNH工程師們僅通過改變CFD模型重新運行模擬,然后進行新的聲學模擬來模擬備選風扇的設計性能。

工程師確定應該降低風扇轉速來降低葉片通過頻率的噪聲。工程師研究了許多不同的風扇設計,如不同的葉片輪廓,葉片數目,護罩設計及尺寸等,目的是使用較低的風扇速度將相同的氣流傳送過散熱器,從而保持恒定的冷卻性能。為了降低寬頻段噪聲,他們則專注于讓風扇在風扇曲線上更高效的運行點上運行,從而以減小氣流擾動。在十次CFD迭代后,他們發現以2200 rpm 高效運行的風扇能夠為葉片通過頻率處和寬頻段噪聲提供所需要的噪聲降低。聲學仿真表明該設計能夠滿足嚴格的聲學標準。工程師們還用Actran來評估備選的消聲器設計,發現其中一中設計能夠滿足所需的降噪水平,此時再建立原型,且其聲學性能與模擬結果非常匹配。

4總結“通過對不同噪聲防治方式的仿真模擬產品的聲學表現,這使我們在三個月內滿足了更為嚴格的噪聲規范”Tamamidis說,“如果我們不得不依賴物理實驗完成該項目,則至少需要一年時間來將噪聲降低至滿足新標準需要的水平。鑒于這個項目的成功,我們將Actran集成到我們的產品開發過程中,并定期用它幫助確保新設計的聲學性能,解決現存設計的問題。”由此可見,Actran能夠精確模擬現有產品,并且得到的仿真結果比物理實驗生成的信息更全面,使得工程師可以很快找出主要噪聲源,進行針對性的降噪措施。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才