搜索對汽車內聲場進行模擬的集成解決方案
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
| 作者:LMS |
| 任何內聲場仿真的首要目的是確定汽車內部的聲壓級(SPL),判斷其是否能滿足設計規范的要求。另一目的是通過對車內聲場的仿真分析,發現問題的根源,進而更改設計參數,最終達到優化設計的目標。 根據客戶的實際應用要求,LMS Virtual.Lab提供了三種內聲場仿真方案。 第一種方案為標準型解決方案。通過給出車內聲壓級清晰的指標,讓用戶判斷是否滿足設計目標,該方案同時也能提供車體上不同輻射面板的貢獻量。 第二種方案也稱“增值方案”。擁有更多的細節分析能力,能提供更為詳細的信息,使用戶能夠更精確地發現存在問題的區域,并更有效地進行微調設計。該方案利用基于聲學傳遞向量(ATVs)的聲學邊界元法或聲學有限元法來完成上述任務。 第三種方案也稱“補充解決方案”,是一種更先進的聲學仿真方案。在該方案中,多層吸聲材料可以更精確地定義。隨著計算頻率范圍的增加,精確模擬多層吸聲材料更為重要。 與Biot分析方法相比,更顯出了它的優越性。因為3D實體有限元單元將把成千上萬的自由度添加到分析計算中。LMS Virtual.Lab利用多層吸聲材料的快速子結構技術不會把額外的自由度添加到計算模型中。對附于基礎結構上的多層吸聲材料性能仿真幾乎不必花費額外的代價。 基于直接耦合法的聲壓級分析 直接耦合是一種快速簡易的方法,可以使用目前市場上任何一款Nastran求解器求解,各個步驟如圖1所示。
1.結構網格 結構網格的細節是由用戶感興趣的頻率范圍所決定的。如果用戶只對低頻感興趣,例如低于100Hz,那么就不需要模擬內部裝飾面板的全部細節,用一個集中質量代替就足夠了。 2.聲腔網格 為了分析內部噪聲,車內聲腔需要定義和劃分網格。對任何有限元分析,建立正確和真實的模型都很重要。內部劃分網格,結構振動才能通過聲腔網格的外層傳遞到聲腔內部。 LMS Virtual.Lab提供了方便的工具,可以直接從結構模型生成聲腔網格,并確保兩種網格緊密相鄰。網格生成算法可以處理尖角和圓滑特征、座椅和腳踏,并可以自動檢測聲腔外層上的網格。這些方便的工具可以使用戶在幾小時內生成精確和有效的網格。 內部組件的特征是隨頻率變化的,這些內部組件的模擬可有多種方法:如座椅可以用3D單元來模擬所占空間的吸聲特性,也可以用2D單元來模擬表面的吸聲特性,其中的區別是3D單元會影響模態,而座椅表面的2D單元被作為剛性墻處理(見圖2)。
當完成對結構和聲腔的網格劃分后,接下來需要區分哪一部分是結構網格,哪一部分是聲腔網格,這可以通過對材料特征的定義加以區別,例如定義聲腔材料的空氣屬性。接下來需要定義兩種網格的連接關系,如果結構網格和聲腔網格不兼容,這時就需要一種網格映射工具(見圖3)。
網格映射是處理不兼容的結構網格和聲學網格連接的自動過程。運用該方法時可以靈活修改網格映射操作過程中的任何一個參數。通過修改參數操作可以更好地理解操作過程。在Virtual.Lab starts 里,該方法可以自動創建主要聲腔的外層,并且使聲腔外層上的指定節點與結構網格上的“X”個節點連接。軟件提供了完整的預置參數,也可以通過設定搜索距離“Y”,程序將自動生成關于聲腔外層上的這個指定節點與結構網格上在搜索距離“Y”之內的“X”個節點之間的網格映射矩陣。與這個聲學節點連接的結構上的所有節點稱為“濕面節點”。Virtual.Lab預定義里設置了4個節點和10mm,一般情況下足以創建良好的耦合關系。Virtual.Lab里還可以生成結構和聲腔外層網格節點間最大與最小距離的圖示。 5.Nastran強迫響應分析 使用Nastran,客戶可以進行耦合模態(Nastran 103)計算,也可以進行強迫響應計算。當在Nastran進行強迫響應計算時,在Virtual.Lab里必須定義為聲振耦合分析。如果已經定義了聲學和結構網格,軟件會自動處理兩者間的鏈接關系,客戶只需要定義輸入載荷和結果輸出的點即可。載荷可以是直接測試的數據或來自于excel表,可以通過節點號或節點坐標(在搜索容差范圍內最近的點)確定施加載荷的點,在Virtual.Lab里給結構施加載荷非常靈活自如。另外還需要確定Nastran結果輸出形式,在Virtual.Lab里支持NASTRAN SOL 103、107等。 用聲學傳遞向量技術(ATV)的設計迭代 該方案能使工程師發現問題,細化、改進結構設計,可對分析結果做更多細節分析。該方案能提供大量的分析數據,可快速有效地重新計算,實現優化設計。該方案用FE求解器計算結構模態,利用Sysnoise求解器計算內部輻射聲場,仿真過程見圖4。
1.結構模態 結構模態可以利用任何一款主流有限元程序包計算,如Nastran、Ansys以及Abquas等。LMS Virtual.Lab可以直接讀取客戶使用的有限元程序的結果文件,讀入結果后還可以對模態施加粘性阻尼。另外LMS Virtual.Lab能縮減有限元結果文件的規模。LMS Virtual.Lab利用網格映射技術快速有效地定義濕面,做聲學分析時只需該表面上的有限元結果數據。因此有限元結果的文件規模可以大大縮減(如從幾個GB到100MB)。 2.基于模態的強迫響應分析 在這個過程中,通過強迫響應求解器可得到振動結果。振動結果可以是模態參與因子的形式,也可以是面板的實際振動。面板振動方法可以用于面板貢獻量分析。強迫響應分析要求定義輸入和輸出點,一旦定義了輸入點就可以施加結構載荷。結構載荷可以是測試數據,也可由CAE分析得出。 3.數據傳遞分析 數據傳遞分析是仿真分析準備中關鍵的一步,這一步要求用戶將結構模態映射到聲腔網格上。軟件首先利用Mesh Mapping(網格映射)工具建立起結構網格和聲學網格的連接關系,然后選擇結構模態投影到聲學網格上,之后就可以在聲學網格上得到縮減的結構模態,這些模態用在MATVs響應分析中。 4.場點網格生成 將場點網格定義在要查看結果的位置上,能夠減少結果數據總量。一般情況下,整個有限元聲腔網格上都會產生結果數據,存儲這些結果數據需要花費很多時間。更好的方法是在要查看結果的位置上定義少量的網格,像司機和乘客的耳朵處。生成聲學傳遞向量(ATVs)也需要用到場點網格(見圖5)。
傳統的邊界元和有限元法將結構的振動直接定義為邊界條件,計算聲場輻射。該方法的缺點是邊界條件會隨工況的改變而改變,每種載荷條件都需要進行不同的求解。LMS Virtual.Lab利用聲學傳遞向量技術(ATV),ATVs建立起輻射表面結構振動的速度與輸出場點聲壓級間的傳遞函數,ATVs取決于幾何結構、聲域內的介質特性、聲學表面特性(阻抗和導納)、頻率和場點位置。AT和載荷無關,這意味著ATVs技術特別適合于多工況強迫響應分析和結構優化。該技術在載荷和設計參數變化的仿真中顯示出巨大的優越性,因為不需要重新計算。根據用戶的要求,可以將ATVs技術運用到邊界元網格或有限元網格上。有限元網格能在更多3D的細節上模擬吸聲材料,邊界元只考慮了表面的阻抗。 通過公式可得:聲壓=聲學傳遞矩陣×表面速度 表面速度是結構表面的法向速度,因為只有法向速度才能產生聲波,因此公式又可寫成:
與ATVs相比MATVs不能從聲學參數計算中得到,還需要掌握振動結構的動力學行為,特別是結構模態。整個過程如圖6和圖7所示。
基于模態耦合的快速多層吸聲材料的模擬 該方案利用Sysnoise求解器,通過耦合方法計算聲場壓力。用波縮減技術將結構模態和聲學模態耦合到一起,可用來模擬連接裝飾面板的屬性,同時該方案吸收了網格縮減技術以減少計算時間并能保證計算精度。這是一種完整的有限元方法同時吸取多層吸聲材料的模擬技術(該技術基于波縮減)的優點。使用該方案完成一個完整汽車模型計算的時間可以大大減少——從40min/頻率到40s/頻率。 仿真過程如下:
該方法的主要目的是建立不兼容網格的耦合關系,同時保證計算精度。利用該技術的原因是聲振全耦合仿真的需要。這似乎是很困難的事情,但在LMS Virtual.Lab里,利用網格縮減技術做起來非常簡單。在軟件里提取聲腔的外層網格,用它作為結構縮減網格的主體,然后用戶需要做的是定義輸入輸出點的位置,利用網格映射工具將結構模態映射到新的縮減網格上。縮減網格和聲腔網格在濕面即具有完全一致的節點。LMS Virtual.Lab可以進一步處理全部使用完全相同網格可能產生的節點編號問題。 2.裝飾面板屬性定義 隨著分析結果頻率的增加,精確模擬裝飾面板的重要性也越高。如果用Biot分析方法—基于三實體有限元法,將會增加成千上萬個自由度,計算代價非常昂貴,從實用觀點來看這是不能被接受的。 LMS Virtual.Lab快速內飾模塊可以考慮應用到基本結構上的多層材料的聲學性能,這是因為利用了基于wave-reacting傳遞導納的技術,該技術描述了多層材料(例如結構基面和聲腔)兩邊壓力和速度之間的關系。傳遞導納系數由傳遞矩陣決定。在內飾作用尤為重要的高頻階段,計算結果與測試數據的耦合非常好。在使用裝飾面板屬性的情況下,不需要再定義濕面,濕面是將聲腔和結構網格聯系到一起的表面,通常是聲腔的外表面。 結語 LMS Virtual.Lab 內聲場模塊能滿足工程師進行聲振設計的一切要求。標準方案在熟悉的有限元環境里操作,可以簡單方便地管理分析過程,并直接產生信息用于判斷是否滿足目標。 對于基于聲振準則進行改進和優化設計的工程師,第二、三種方案能滿足對數據分析的全部要求,加上快速有效的技術和方案來調整設計參數,精確評估設計變更。 LMS Virtual.Lab的集成環境提供了一個快速有效的數據和進程管理方法。這是一個方便且易于管理的過程。 |
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