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2017-01-12 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
沃爾沃乘用車NVH及聲學(xué)仿真案例剖析
第四屆Actran 用戶大會(huì)汽車行業(yè)主題演講回顧
“沃爾沃的NVH部門對數(shù)值方法的實(shí)施由來已久。然而,傳統(tǒng)的應(yīng)用大多局限于低頻的結(jié)構(gòu)聲分析,直至近年來研發(fā)的興趣逐步轉(zhuǎn)向更高頻率的空氣聲分析。瑞典沃爾沃乘用車的NVH開發(fā)團(tuán)隊(duì)利用結(jié)構(gòu)和聲學(xué)仿真工具實(shí)施了眾多的應(yīng)用案例。這些應(yīng)用涵蓋了部件級和整車級分析:從進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣流噪聲仿真到車外聲源傳至車內(nèi)的聲學(xué)傳遞函數(shù)預(yù)測;從部件的聲學(xué)傳遞損失計(jì)算到整車聲學(xué)包分析。另外,近幾年逐步興起的應(yīng)用有風(fēng)噪聲模擬,音響系統(tǒng)模擬,計(jì)算大尺度聲學(xué)域的高頻問題,或進(jìn)行NVH性能的不確定性分析等?！?/span>
以上是沃爾沃乘用車NVH資深工程師Andrzej Pietrzyk博士在上個(gè)月Actran用戶大會(huì)上的主題演講概括。
此次會(huì)議由MSC軟件子公司FFT主辦,于2016年10月11日至13日在比利時(shí)首都布魯塞爾舉行。相比歷屆會(huì)議,此次會(huì)議的一大亮點(diǎn)在于汽車行業(yè)的應(yīng)用案例大幅增長,占據(jù)所有參會(huì)客戶行業(yè)的第一位。來自眾多OEM和配件商的精彩演講讓參會(huì)者感受到了Actran在汽車行業(yè)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展。下面我們一同回顧一下沃爾沃乘用車Andrzej博士的主題演講。
主題演講回顧:沃爾沃乘用車使用Actran案例介紹
主題演講人:Dr. Andrzej Pietrzyk, NVH資深工程師, 沃爾沃乘用車集團(tuán)
主題演講簡介:沃爾沃的NVH部門對數(shù)值方法的實(shí)施由來已久。然而,傳統(tǒng)的應(yīng)用大多局限于低頻的結(jié)構(gòu)聲分析。近年來,我們將興趣逐步轉(zhuǎn)向更高頻率的空氣聲分析。在尋找合適的工具時(shí),我們選擇了Actran。在主題演講中,我將會(huì)介紹跨度較廣的汽車行業(yè)聲學(xué)仿真問題,以及沃爾沃集團(tuán)使用Actran在這些問題上的成功應(yīng)用。
這些應(yīng)用包含部件級和整車級分析:從進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣流噪聲仿真到車外聲源傳遞至車內(nèi)的聲學(xué)傳遞函數(shù)預(yù)測;從部件的聲學(xué)傳遞損失計(jì)算到整車的聲學(xué)包分析。
沃爾沃目前正在測試的其他應(yīng)用也將一并展示,這些包括:風(fēng)噪聲模擬,音響系統(tǒng)模擬 ,使用Actran DGM計(jì)算大尺度聲學(xué)域的高頻問題,使用Actran NPVM(非參數(shù)變換法)進(jìn)行NVH性能的不確定性分析等。
主題演講內(nèi)容回顧:
下面摘選演講PPT部分內(nèi)容,并結(jié)合筆者現(xiàn)場參會(huì)經(jīng)驗(yàn)與大家共享。首先,Andrzej 博士按照 1)振動(dòng)聲學(xué),2)氣動(dòng)聲學(xué),3)高頻/大尺度聲學(xué)問題,這三個(gè)大方面對展示案例進(jìn)行分類。
在振動(dòng)聲學(xué)分類中,主要介紹了三方面應(yīng)用案例:
1. 部件聲學(xué)傳遞損失分析 (transmission loss)
2. 車外聲源至車內(nèi)傳遞函數(shù)分析(transfer functions)
3. 車內(nèi)音響模擬(loudspeaker model)
在氣動(dòng)聲學(xué)分類中,也介紹了三方面應(yīng)用:
4. 風(fēng)噪聲仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
5. 進(jìn)氣管道流致噪聲及共鳴腔設(shè)計(jì) (intake – flow in ducts – resonator design)
6. 排氣流致噪聲仿真 (exhaust – flow noise)
在高頻/大尺度聲學(xué)問題中,則介紹了兩方面探索性應(yīng)用:
7. 車內(nèi)聲腔的高頻響應(yīng)分析(high frequency cavity response)
8. 車輛鳴笛的外聲場分析(exterior acoustics)
下面是具體應(yīng)用介紹:
應(yīng)用1:部件聲學(xué)傳遞損失分析 (transmission loss)
這部分分析主要關(guān)注車內(nèi)部件的隔音問題,如前圍板的隔音問題,地板的隔音問題等。
Andrzej博士首先從介紹了聲學(xué)傳遞損失的定義。在實(shí)驗(yàn)中,測量傳遞損失需要借助混響室和消聲室相結(jié)合的聲學(xué)測試手段,通過測量部件的入射聲能和輻射聲能確定其隔聲量。
使用Actran仿真重現(xiàn)實(shí)驗(yàn),需要恰當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)中混響室的聲學(xué)加載環(huán)境,即擴(kuò)散聲場(Diffuse sound field)加載。演講提到了Actran對于此種擴(kuò)散聲場加載模擬的獨(dú)特功能。
這里還提到了Actran中的Exterior Acoustic Component功能,可以自動(dòng)生成結(jié)構(gòu)件附近的聲空間有限元網(wǎng)格,且網(wǎng)格密度可隨頻率做自適應(yīng)調(diào)整。因此對于使用者來說,只需要事先準(zhǔn)備好結(jié)構(gòu)件的模型就可以方便計(jì)算其聲學(xué)傳遞損失了。
首先從最簡單的幾何開始。下面是一個(gè)平板傳遞損失的參數(shù)化分析,對比了單層板以及被空氣層分隔開的雙層板系統(tǒng)的隔聲性能。雙層板系統(tǒng)考慮了形狀的變化以及板間空氣層厚度的變化。隨著各參數(shù)的變化,Actran的仿真結(jié)果與理論預(yù)測的趨勢完全一致。
傳遞損失仿真可以使用到車輛各類部件中,隨后展示了:
- 空濾器外殼的聲學(xué)傳遞損失,對比了標(biāo)準(zhǔn)塑料件與加重塑料件的區(qū)別;
- 前風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的聲學(xué)傳遞損失,對比了其中夾層材料變化的影響;
- 前圍板的傳遞損失,對比了加入聲處理(阻尼及多孔材料)之后的影響(如下圖)。
應(yīng)用2:車外聲源至車內(nèi)傳遞函數(shù)分析(transfer functions)
此應(yīng)用考慮車外空氣聲(如排氣噪聲)傳至車內(nèi)的聲學(xué)傳遞函數(shù)(ATF)。下圖是在半消聲室中的實(shí)車測試。
下面是將問題簡化,使用藍(lán)車身(Body in Blue,BIB)進(jìn)行的測試。
使用Actran仿真此類ATF,可以將問題解耦成兩部分進(jìn)行計(jì)算。第一部分僅考慮外聲場傳播,計(jì)算排氣聲源傳至車身外表面上形成的聲壓;接下來的第二部分使用上述聲壓對車身的MSC Nastran結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載,并計(jì)算車內(nèi)空腔的聲學(xué)響應(yīng)。這里提到了快速Krylov求解器大大提高了外聲場計(jì)算的效率。MSC Nastran結(jié)構(gòu)和空腔的耦合模型則使用經(jīng)典的模態(tài)頻率響應(yīng)求解方法。
應(yīng)用3:車內(nèi)音響模擬(loudspeaker model)
對于高級轎車,音響的聲品質(zhì)至關(guān)重要。高配的車型有時(shí)還配備主動(dòng)降噪技術(shù),利用相位相反的聲波相消干涉的原理,由揚(yáng)聲器主動(dòng)發(fā)出反相聲波消減車內(nèi)原有的噪音。對于揚(yáng)聲器和其安裝環(huán)境的分析成為沃爾沃目前聲學(xué)研究的重點(diǎn)。
喇叭單體是較為復(fù)雜的部件,精確模擬各材料參數(shù)有一定困難。而供應(yīng)商也往往難以提供準(zhǔn)確材料參數(shù)。沃爾沃則使用了Actran軟件中的喇叭單體Thiele/Small縮減模型法。這是一組供應(yīng)商較方便提供,或可以較方便測量的喇叭參數(shù),用來描述喇叭中電、磁、力各物理量之間的關(guān)系。使用這組參數(shù)結(jié)合喇叭有限元建模較為方便。在仿真模型中,可以做到輸入電壓,得到喇叭聲學(xué)響應(yīng)的效果。
喇叭單體安裝在車門上的效應(yīng)也很重要,這是由于車門的結(jié)構(gòu)及其空氣背腔會(huì)影響喇叭的性能。針對這類安裝效應(yīng),需要考慮車門和喇叭的集成模型,對此沃爾沃也做了仿真與測試的對比。
最后是集成到藍(lán)車身中的喇叭性能研究,展示了仿真與測試的對比。
應(yīng)用4:風(fēng)噪聲仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
對于高速行駛的車輛,風(fēng)噪聲是重要噪聲源。沃爾沃采用了流體軟件Fluent和Actran聯(lián)合仿真的技術(shù),進(jìn)行風(fēng)噪聲源的計(jì)算及其透過側(cè)窗向車內(nèi)的傳播。
沃爾沃在風(fēng)洞中測試了V70轎車在時(shí)速140公里條件下的噪聲,對A柱和后視鏡附近區(qū)域進(jìn)行了聲強(qiáng)的測量。
下面是CFD的設(shè)置,采用非定常仿真大渦模擬,將側(cè)窗附近區(qū)域的流場計(jì)算結(jié)果依時(shí)間步輸出。
下面是Actran氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)置,建立側(cè)窗附件的聲學(xué)傳播區(qū),并布置虛擬麥克風(fēng)場點(diǎn)以計(jì)算聲強(qiáng)結(jié)果。
通過對比測試結(jié)果與仿真結(jié)果,可以總結(jié)出仿真精度受CFD網(wǎng)格加密影響較大。由此得出了聲學(xué)仿真截?cái)囝l率與CFD網(wǎng)格加密程度之間的關(guān)系。
這里展示的僅是風(fēng)噪外聲場計(jì)算,傳遞到車內(nèi)的聲場計(jì)算目前正在開展中。
應(yīng)用5: 進(jìn)氣管道流致噪聲及共鳴腔設(shè)計(jì) (intake – flow in ducts – resonator design)
汽車在低速加速時(shí),渦輪壓縮機(jī)可能產(chǎn)生一些明顯的噪聲(如whoosh流噪, sigh noise等),這些噪聲會(huì)經(jīng)過進(jìn)氣系統(tǒng),以管道進(jìn)口噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲的形式向車外傳播。
由于沃爾沃已經(jīng)對增壓器的噪聲頻率有了較好的把握,因此可以通過在進(jìn)氣管道中增加共鳴腔的方式抑制管道噪聲。共鳴腔的幾何設(shè)計(jì)可由需要抑制的目標(biāo)頻率確定。而對于進(jìn)氣管道的振動(dòng)輻射聲模擬,則需要建立聲振耦合的模型。
應(yīng)用6: 排氣流致噪聲仿真 (exhaust – flow noise)
當(dāng)排氣管道流速較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的流噪聲。
同風(fēng)噪聲仿真原理類似,沃爾沃使用CFD工具和Actran聯(lián)合仿真的方式。下圖為仿真流程。其中關(guān)鍵點(diǎn)是如何從CFD結(jié)果中提取聲源。較傳統(tǒng)的方式是首先進(jìn)行非定常CFD分析,然后利用聲類比技術(shù),即通過Lighthill或Mohring聲類比方式,將時(shí)間步的流場結(jié)果轉(zhuǎn)化為聲源信號。其中Lighthill聲類比僅適合低速流(0.3馬赫數(shù)以下),而Mohring聲類比則適合更高馬赫數(shù)的流速。
沃爾沃還利用了Actran中的創(chuàng)新方法SNGR,讀取定常CFD結(jié)果計(jì)算氣動(dòng)噪聲。此種方法更適合對比不同流速或不同氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)下產(chǎn)生噪聲的差值。使用SNGR方法可以省掉冗長的非定常CFD計(jì)算時(shí)間,大大縮短設(shè)計(jì)對比的周期。
下圖左邊為使用非定常CFD仿真,在0.11馬赫數(shù)下流噪聲結(jié)果。右邊則為三種不同流速下(馬赫數(shù)0.11,0.15,0.22)測試結(jié)果(實(shí)線)與SNGR結(jié)果(虛線)的對比。由于SNGR方法中聲源能量譜的輸入可人為確定,因此仿真絕對值的意義并不是最大的,或者也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定絕對值。不過這里我們可以看到SNGR在預(yù)測不同流速下噪聲的差值是較為準(zhǔn)確的。
應(yīng)用7: 車內(nèi)聲腔的高頻響應(yīng)分析(high frequency cavity response)
此部分內(nèi)容還是較為初期的研究類課題,主要針對音響系統(tǒng)在車內(nèi)的中高頻響應(yīng),可以用于揚(yáng)聲器集成和車內(nèi)聲環(huán)境的預(yù)測。
傳統(tǒng)上高頻聲響應(yīng)的模擬較多依賴聲線法。這是一種幾何聲學(xué)方法,使用起來較為復(fù)雜,而且對使用者的理論和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)要求較高。
沃爾沃目前正在使用Actran中的DGM模塊仿真高頻聲學(xué)問題。Actran DGM是基于間斷伽遼金方法的聲學(xué)模塊,區(qū)別于傳統(tǒng)的有限元方法,采用時(shí)域仿真方式,可以輕松建立和求解較高頻率的模型。新近推出的GPU加速更是大大縮短了DGM的計(jì)算時(shí)間。如此進(jìn)行車內(nèi)聲腔在10KHz下的計(jì)算僅需3小時(shí)。而車內(nèi)飾的吸音條件則可以通過DGM模型中的阻抗邊界條件進(jìn)行定義。
應(yīng)用8:喇叭鳴笛的車外聲場分析(exterior acoustics)
最后一個(gè)應(yīng)用是外聲場的例子。法規(guī)規(guī)定,車在鳴笛時(shí)其前方7米遠(yuǎn)處的聲壓級測試需要給出大于94dB(A)的數(shù)值。隨著當(dāng)下設(shè)計(jì)中車前板的增厚趨勢,沃爾沃還不太確定將來的車型設(shè)計(jì)能否滿足以上法規(guī)。因此使用仿真對此問題進(jìn)行預(yù)研。
模擬此問題的挑戰(zhàn)主要在于復(fù)雜的幾何形狀(發(fā)動(dòng)機(jī)艙復(fù)雜,考慮地面反射,外聲場尺度較大)以及需要模擬到3KHz的頻率區(qū)間。沃爾沃使用Actran DGM可以較好面對以上挑戰(zhàn),真實(shí)的還原如此復(fù)雜的聲傳播問題。
說句題外話,車輛的通過噪聲測試同樣受法規(guī)限制,不過這里是規(guī)定噪聲不能超過某具體聲壓量級。這在商用車領(lǐng)域是個(gè)較常見的問題。進(jìn)行通過噪聲的模擬同樣存在如上所述鳴笛問題所面臨的挑戰(zhàn)。使用Actran可以仿真通過噪聲這類具有挑戰(zhàn)性的聲學(xué)問題。
總結(jié):
下面是沃爾沃主題演講的總結(jié)。主要講到Actran對于車輛行業(yè)NVH分析和聲學(xué)分析有很高適用性。這次展示的案例有一些已經(jīng)進(jìn)入或完成項(xiàng)目實(shí)施,有些還在預(yù)研階段。另外提到,Actran與Nastran有較好的接口,可以聯(lián)合仿真很多有挑戰(zhàn)性的振動(dòng)聲學(xué)問題。Actran與流體仿真的結(jié)合可以將傳統(tǒng)的低頻結(jié)構(gòu)聲分析延展至高頻空氣聲分析。
后記:Actran用戶大會(huì)簡介及車輛客戶報(bào)告整體情況
2016年10月11日至13日,由MSC軟件子公司FFT主辦的第四屆Actran用戶大會(huì)在比利時(shí)首都布魯塞爾舉行。
由于近年來Actran軟件在全球范圍內(nèi)客戶群體的高速增長,以及廣大用戶參會(huì)的濃厚興趣,此次用戶大會(huì)的論文演講數(shù)量超過歷屆會(huì)議的紀(jì)錄。由于演講數(shù)目眾多,大會(huì)首次啟用了分會(huì)場演講的形式。
此次會(huì)議的一個(gè)亮點(diǎn)在于汽車行業(yè)的應(yīng)用案例明顯增長。來自眾多OEM和配件商的精彩展示讓參會(huì)者感受到了Actran在汽車行業(yè)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展。
汽車行業(yè)演講題目:
- 沃爾沃乘用車(會(huì)議主題演講):沃爾沃乘用車使用Actran案例介紹
- 法拉利(會(huì)議特邀嘉賓演講):動(dòng)力系統(tǒng)聲品質(zhì)的開發(fā)理念與實(shí)踐
- 沃爾沃乘用車:排氣管道氣動(dòng)噪聲仿真
- 雷諾:汽車通過噪聲的仿真分析
- 斯堪尼亞:卡車艙室的噪聲源分析及通過實(shí)驗(yàn)和仿真方式的聲音模擬
- 奧迪:超高速行駛下外氣動(dòng)力引起車門振動(dòng)導(dǎo)致的內(nèi)噪聲仿真
- 沃爾沃卡車:進(jìn)氣管道噪聲傳至駕駛室的聲源與路徑分析
- 瑪賽拉蒂:前圍板的聲學(xué)傳遞損失分析
- 博格華納:渦輪增壓器隔熱罩的聲學(xué)性能分析
- 庫博標(biāo)準(zhǔn):車門密封條的聲學(xué)性能分析
- 麥格納:車輛聲學(xué)包開發(fā)及風(fēng)噪聲仿真
- 天納克:針對混動(dòng)車輛排氣噪聲的有源主動(dòng)聲控制仿真
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