搜索對汽車內(nèi)聲場進(jìn)行模擬的集成解決方案
2013-06-23 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
| 作者:LMS |
| 任何內(nèi)聲場仿真的首要目的是確定汽車內(nèi)部的聲壓級(SPL),判斷其是否能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。另一目的是通過對車內(nèi)聲場的仿真分析,發(fā)現(xiàn)問題的根源,進(jìn)而更改設(shè)計(jì)參數(shù),最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。 根據(jù)客戶的實(shí)際應(yīng)用要求,LMS Virtual.Lab提供了三種內(nèi)聲場仿真方案。 第一種方案為標(biāo)準(zhǔn)型解決方案。通過給出車內(nèi)聲壓級清晰的指標(biāo),讓用戶判斷是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),該方案同時(shí)也能提供車體上不同輻射面板的貢獻(xiàn)量。 第二種方案也稱“增值方案”。擁有更多的細(xì)節(jié)分析能力,能提供更為詳細(xì)的信息,使用戶能夠更精確地發(fā)現(xiàn)存在問題的區(qū)域,并更有效地進(jìn)行微調(diào)設(shè)計(jì)。該方案利用基于聲學(xué)傳遞向量(ATVs)的聲學(xué)邊界元法或聲學(xué)有限元法來完成上述任務(wù)。 第三種方案也稱“補(bǔ)充解決方案”,是一種更先進(jìn)的聲學(xué)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(jì)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(yōu)越性。因?yàn)?D實(shí)體有限元單元將把成千上萬的自由度添加到分析計(jì)算中。LMS Virtual.Lab利用多層吸聲材料的快速子結(jié)構(gòu)技術(shù)不會(huì)把額外的自由度添加到計(jì)算模型中。對附于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的多層吸聲材料性能仿真幾乎不必花費(fèi)額外的代價(jià)。 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(gè)步驟如圖1所示。
1.結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的細(xì)節(jié)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(nèi)部裝飾面板的全部細(xì)節(jié),用一個(gè)集中質(zhì)量代替就足夠了。 2.聲腔網(wǎng)格 為了分析內(nèi)部噪聲,車內(nèi)聲腔需要定義和劃分網(wǎng)格。對任何有限元分析,建立正確和真實(shí)的模型都很重要。內(nèi)部劃分網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)振動(dòng)才能通過聲腔網(wǎng)格的外層傳遞到聲腔內(nèi)部。 LMS Virtual.Lab提供了方便的工具,可以直接從結(jié)構(gòu)模型生成聲腔網(wǎng)格,并確保兩種網(wǎng)格緊密相鄰。網(wǎng)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(dòng)檢測聲腔外層上的網(wǎng)格。這些方便的工具可以使用戶在幾小時(shí)內(nèi)生成精確和有效的網(wǎng)格。 內(nèi)部組件的特征是隨頻率變化的,這些內(nèi)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(qū)別是3D單元會(huì)影響模態(tài),而座椅表面的2D單元被作為剛性墻處理(見圖2)。
當(dāng)完成對結(jié)構(gòu)和聲腔的網(wǎng)格劃分后,接下來需要區(qū)分哪一部分是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,哪一部分是聲腔網(wǎng)格,這可以通過對材料特征的定義加以區(qū)別,例如定義聲腔材料的空氣屬性。接下來需要定義兩種網(wǎng)格的連接關(guān)系,如果結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲腔網(wǎng)格不兼容,這時(shí)就需要一種網(wǎng)格映射工具(見圖3)。
網(wǎng)格映射是處理不兼容的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲學(xué)網(wǎng)格連接的自動(dòng)過程。運(yùn)用該方法時(shí)可以靈活修改網(wǎng)格映射操作過程中的任何一個(gè)參數(shù)。通過修改參數(shù)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(dòng)創(chuàng)建主要聲腔的外層,并且使聲腔外層上的指定節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的“X”個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。軟件提供了完整的預(yù)置參數(shù),也可以通過設(shè)定搜索距離“Y”,程序?qū)⒆詣?dòng)生成關(guān)于聲腔外層上的這個(gè)指定節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上在搜索距離“Y”之內(nèi)的“X”個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)格映射矩陣。與這個(gè)聲學(xué)節(jié)點(diǎn)連接的結(jié)構(gòu)上的所有節(jié)點(diǎn)稱為“濕面節(jié)點(diǎn)”。Virtual.Lab預(yù)定義里設(shè)置了4個(gè)節(jié)點(diǎn)和10mm,一般情況下足以創(chuàng)建良好的耦合關(guān)系。Virtual.Lab里還可以生成結(jié)構(gòu)和聲腔外層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)間最大與最小距離的圖示。 5.Nastran強(qiáng)迫響應(yīng)分析 使用Nastran,客戶可以進(jìn)行耦合模態(tài)(Nastran 103)計(jì)算,也可以進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算。當(dāng)在Nastran進(jìn)行強(qiáng)迫響應(yīng)計(jì)算時(shí),在Virtual.Lab里必須定義為聲振耦合分析。如果已經(jīng)定義了聲學(xué)和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,軟件會(huì)自動(dòng)處理兩者間的鏈接關(guān)系,客戶只需要定義輸入載荷和結(jié)果輸出的點(diǎn)即可。載荷可以是直接測試的數(shù)據(jù)或來自于excel表,可以通過節(jié)點(diǎn)號或節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)(在搜索容差范圍內(nèi)最近的點(diǎn))確定施加載荷的點(diǎn),在Virtual.Lab里給結(jié)構(gòu)施加載荷非常靈活自如。另外還需要確定Nastran結(jié)果輸出形式,在Virtual.Lab里支持NASTRAN SOL 103、107等。 用聲學(xué)傳遞向量技術(shù)(ATV)的設(shè)計(jì)迭代 該方案能使工程師發(fā)現(xiàn)問題,細(xì)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可對分析結(jié)果做更多細(xì)節(jié)分析。該方案能提供大量的分析數(shù)據(jù),可快速有效地重新計(jì)算,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方案用FE求解器計(jì)算結(jié)構(gòu)模態(tài),利用Sysnoise求解器計(jì)算內(nèi)部輻射聲場,仿真過程見圖4。
1.結(jié)構(gòu)模態(tài) 結(jié)構(gòu)模態(tài)可以利用任何一款主流有限元程序包計(jì)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(jié)果文件,讀入結(jié)果后還可以對模態(tài)施加粘性阻尼。另外LMS Virtual.Lab能縮減有限元結(jié)果文件的規(guī)模。LMS Virtual.Lab利用網(wǎng)格映射技術(shù)快速有效地定義濕面,做聲學(xué)分析時(shí)只需該表面上的有限元結(jié)果數(shù)據(jù)。因此有限元結(jié)果的文件規(guī)?？梢源蟠罂s減(如從幾個(gè)GB到100MB)。 2.基于模態(tài)的強(qiáng)迫響應(yīng)分析 在這個(gè)過程中,通過強(qiáng)迫響應(yīng)求解器可得到振動(dòng)結(jié)果。振動(dòng)結(jié)果可以是模態(tài)參與因子的形式,也可以是面板的實(shí)際振動(dòng)。面板振動(dòng)方法可以用于面板貢獻(xiàn)量分析。強(qiáng)迫響應(yīng)分析要求定義輸入和輸出點(diǎn),一旦定義了輸入點(diǎn)就可以施加結(jié)構(gòu)載荷。結(jié)構(gòu)載荷可以是測試數(shù)據(jù),也可由CAE分析得出。 3.數(shù)據(jù)傳遞分析 數(shù)據(jù)傳遞分析是仿真分析準(zhǔn)備中關(guān)鍵的一步,這一步要求用戶將結(jié)構(gòu)模態(tài)映射到聲腔網(wǎng)格上。軟件首先利用Mesh Mapping(網(wǎng)格映射)工具建立起結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲學(xué)網(wǎng)格的連接關(guān)系,然后選擇結(jié)構(gòu)模態(tài)投影到聲學(xué)網(wǎng)格上,之后就可以在聲學(xué)網(wǎng)格上得到縮減的結(jié)構(gòu)模態(tài),這些模態(tài)用在MATVs響應(yīng)分析中。 4.場點(diǎn)網(wǎng)格生成 將場點(diǎn)網(wǎng)格定義在要查看結(jié)果的位置上,能夠減少結(jié)果數(shù)據(jù)總量。一般情況下,整個(gè)有限元聲腔網(wǎng)格上都會(huì)產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù),存儲(chǔ)這些結(jié)果數(shù)據(jù)需要花費(fèi)很多時(shí)間。更好的方法是在要查看結(jié)果的位置上定義少量的網(wǎng)格,像司機(jī)和乘客的耳朵處。生成聲學(xué)傳遞向量(ATVs)也需要用到場點(diǎn)網(wǎng)格(見圖5)。
傳統(tǒng)的邊界元和有限元法將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)直接定義為邊界條件,計(jì)算聲場輻射。該方法的缺點(diǎn)是邊界條件會(huì)隨工況的改變而改變,每種載荷條件都需要進(jìn)行不同的求解。LMS Virtual.Lab利用聲學(xué)傳遞向量技術(shù)(ATV),ATVs建立起輻射表面結(jié)構(gòu)振動(dòng)的速度與輸出場點(diǎn)聲壓級間的傳遞函數(shù),ATVs取決于幾何結(jié)構(gòu)、聲域內(nèi)的介質(zhì)特性、聲學(xué)表面特性(阻抗和導(dǎo)納)、頻率和場點(diǎn)位置。AT和載荷無關(guān),這意味著ATVs技術(shù)特別適合于多工況強(qiáng)迫響應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。該技術(shù)在載荷和設(shè)計(jì)參數(shù)變化的仿真中顯示出巨大的優(yōu)越性,因?yàn)椴恍枰匦掠?jì)算。根據(jù)用戶的要求,可以將ATVs技術(shù)運(yùn)用到邊界元網(wǎng)格或有限元網(wǎng)格上。有限元網(wǎng)格能在更多3D的細(xì)節(jié)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(xué)傳遞矩陣×表面速度 表面速度是結(jié)構(gòu)表面的法向速度,因?yàn)橹挥蟹ㄏ蛩俣炔拍墚a(chǎn)生聲波,因此公式又可寫成:
與ATVs相比MATVs不能從聲學(xué)參數(shù)計(jì)算中得到,還需要掌握振動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)行為,特別是結(jié)構(gòu)模態(tài)。整個(gè)過程如圖6和圖7所示。
基于模態(tài)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(jì)算聲場壓力。用波縮減技術(shù)將結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲學(xué)模態(tài)耦合到一起,可用來模擬連接裝飾面板的屬性,同時(shí)該方案吸收了網(wǎng)格縮減技術(shù)以減少計(jì)算時(shí)間并能保證計(jì)算精度。這是一種完整的有限元方法同時(shí)吸取多層吸聲材料的模擬技術(shù)(該技術(shù)基于波縮減)的優(yōu)點(diǎn)。使用該方案完成一個(gè)完整汽車模型計(jì)算的時(shí)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(wǎng)格的耦合關(guān)系,同時(shí)保證計(jì)算精度。利用該技術(shù)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(wǎng)格縮減技術(shù)做起來非常簡單。在軟件里提取聲腔的外層網(wǎng)格,用它作為結(jié)構(gòu)縮減網(wǎng)格的主體,然后用戶需要做的是定義輸入輸出點(diǎn)的位置,利用網(wǎng)格映射工具將結(jié)構(gòu)模態(tài)映射到新的縮減網(wǎng)格上。縮減網(wǎng)格和聲腔網(wǎng)格在濕面即具有完全一致的節(jié)點(diǎn)。LMS Virtual.Lab可以進(jìn)一步處理全部使用完全相同網(wǎng)格可能產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)編號問題。 2.裝飾面板屬性定義 隨著分析結(jié)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(shí)體有限元法,將會(huì)增加成千上萬個(gè)自由度,計(jì)算代價(jià)非常昂貴,從實(shí)用觀點(diǎn)來看這是不能被接受的。 LMS Virtual.Lab快速內(nèi)飾模塊可以考慮應(yīng)用到基本結(jié)構(gòu)上的多層材料的聲學(xué)性能,這是因?yàn)槔昧嘶趙ave-reacting傳遞導(dǎo)納的技術(shù),該技術(shù)描述了多層材料(例如結(jié)構(gòu)基面和聲腔)兩邊壓力和速度之間的關(guān)系。傳遞導(dǎo)納系數(shù)由傳遞矩陣決定。在內(nèi)飾作用尤為重要的高頻階段,計(jì)算結(jié)果與測試數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格聯(lián)系到一起的表面,通常是聲腔的外表面。 結(jié)語 LMS Virtual.Lab 內(nèi)聲場模塊能滿足工程師進(jìn)行聲振設(shè)計(jì)的一切要求。標(biāo)準(zhǔn)方案在熟悉的有限元環(huán)境里操作,可以簡單方便地管理分析過程,并直接產(chǎn)生信息用于判斷是否滿足目標(biāo)。 對于基于聲振準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的工程師,第二、三種方案能滿足對數(shù)據(jù)分析的全部要求,加上快速有效的技術(shù)和方案來調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù),精確評估設(shè)計(jì)變更。 LMS Virtual.Lab的集成環(huán)境提供了一個(gè)快速有效的數(shù)據(jù)和進(jìn)程管理方法。這是一個(gè)方便且易于管理的過程。 |
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