工程機(jī)械，看Actran幫你解決疑難雜癥~

2016-10-26 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1背景描述

拉美國家的噪聲規(guī)定被修訂到更低的水平,這促使CNH公司和其他的建筑設(shè)備制造商降低其產(chǎn)品的噪聲排放。新規(guī)范使用一個公式基于機(jī)器的功率來確定其允許的聲壓級。在這種情況下,新的標(biāo)準(zhǔn)要求噪聲相對于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)降低大概6分貝。過去,CNH(美國工程與農(nóng)業(yè)機(jī)械制造商)工程師一直依賴物理實(shí)驗(yàn)來評估備選設(shè)計(jì)方案,這種方法的一個問題在于必須將所有可能設(shè)計(jì)的原型制備出來。以風(fēng)扇為例,需要訂購風(fēng)扇,有時護(hù)罩從供應(yīng)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)方式?！拔覀兒芫弥熬鸵呀?jīng)能夠運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法模擬噪聲源了,但是還沒有一個準(zhǔn)確的方法來模擬這些噪聲源產(chǎn)生的噪聲的傳播。”CNH的CFD,NVH和聲學(xué)的全球經(jīng)理Panos Tamamidis博士說。2技術(shù)難點(diǎn)重型機(jī)械,建筑業(yè)等噪聲數(shù)值模擬中關(guān)鍵技術(shù)是:
(1) 聲源的精確預(yù)測
氣動噪聲預(yù)測采用非定常CFD計(jì)算三維流場和根據(jù)流場變量使用聲類比方法計(jì)算聲源。聲源預(yù)測的精度高度依賴于流場結(jié)果的精度。在CAE分析方面,建立三維真實(shí)模型的流場分析模型,存在網(wǎng)格量大,收斂困難和計(jì)算速度慢等難點(diǎn)。
(2) 聲學(xué)性能的精確預(yù)測

“Actran展示了其精確模擬我們現(xiàn)有產(chǎn)品的能力, 因此我們開始將這種能力引入到我們的產(chǎn)品開發(fā)流程中”。Panos Tamamidis博士說。Actran可以計(jì)算輻射聲場,聲壓,速度或者聲強(qiáng)圖,以及聲壓和功率級的頻響函數(shù)。3案例介紹針對某型號的輪式裝載機(jī)進(jìn)行噪聲模擬,尋找影響機(jī)器噪聲的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者并進(jìn)行改善。基于ISO6393標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噪聲測量,六個麥克風(fēng)分布于設(shè)備周圍半球形的特定位置(圖1),在設(shè)備高怠速條件運(yùn)行時測定聲壓級。通過開啟和關(guān)閉風(fēng)扇,開啟和關(guān)閉液壓泵,或掩蓋排氣來噪聲以更好地了解噪聲貢獻(xiàn)源的相對重要性,這一系列分析表明風(fēng)扇是頭號噪聲貢獻(xiàn)源圖1 依據(jù)ISO6393的測試/分析設(shè)置圖2風(fēng)扇附近垂直中間平面的漩渦分布在應(yīng)用中,CHN工程師從CD-Adapco到Star-CCM+ CFD軟件對風(fēng)扇進(jìn)行瞬態(tài)模擬。他們將速度,密度和壓力場結(jié)果導(dǎo)入Actran,將其從時域轉(zhuǎn)化到頻域,并將其從CFD網(wǎng)格插值到聲學(xué)網(wǎng)格。圖3 Actran中氣動聲學(xué)模型設(shè)置Actran得到的仿真結(jié)果比物理實(shí)驗(yàn)生成的信息更全面,這有助于CNH了解風(fēng)扇中哪些改進(jìn)是必須的。CNH工程師將風(fēng)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(jié)論,為滿足噪聲規(guī)范,風(fēng)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(shí)現(xiàn)。圖6 Actran預(yù)測風(fēng)扇噪聲與測試數(shù)據(jù)的相關(guān)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(yùn)行模擬,然后進(jìn)行新的聲學(xué)模擬來模擬備選風(fēng)扇的設(shè)計(jì)性能。

工程師確定應(yīng)該降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)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(fēng)扇設(shè)計(jì),如不同的葉片輪廓,葉片數(shù)目,護(hù)罩設(shè)計(jì)及尺寸等,目的是使用較低的風(fēng)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(fēng)扇在風(fēng)扇曲線上更高效的運(yùn)行點(diǎn)上運(yùn)行,從而以減小氣流擾動。在十次CFD迭代后,他們發(fā)現(xiàn)以2200 rpm 高效運(yùn)行的風(fēng)扇能夠?yàn)槿~片通過頻率處和寬頻段噪聲提供所需要的噪聲降低。聲學(xué)仿真表明該設(shè)計(jì)能夠滿足嚴(yán)格的聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。工程師們還用Actran來評估備選的消聲器設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)其中一中設(shè)計(jì)能夠滿足所需的降噪水平,此時再建立原型,且其聲學(xué)性能與模擬結(jié)果非常匹配。

4總結(jié)“通過對不同噪聲防治方式的仿真模擬產(chǎn)品的聲學(xué)表現(xiàn),這使我們在三個月內(nèi)滿足了更為嚴(yán)格的噪聲規(guī)范”Tamamidis說,“如果我們不得不依賴物理實(shí)驗(yàn)完成該項(xiàng)目,則至少需要一年時間來將噪聲降低至滿足新標(biāo)準(zhǔn)需要的水平。鑒于這個項(xiàng)目的成功,我們將Actran集成到我們的產(chǎn)品開發(fā)過程中,并定期用它幫助確保新設(shè)計(jì)的聲學(xué)性能,解決現(xiàn)存設(shè)計(jì)的問題?！庇纱丝梢?Actran能夠精確模擬現(xiàn)有產(chǎn)品,并且得到的仿真結(jié)果比物理實(shí)驗(yàn)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(jìn)行針對性的降噪措施。

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