搜索對汽車內(nèi)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(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計規(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,進而更改設計參數(shù),最終達到優(yōu)化設計的目標。 根據(jù)客戶的實際應用要求,LMS Virtual.Lab提供了三種內(nèi)聲場仿真方案。 第一種方案為標準型解決方案。通過給出車內(nèi)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(jié)分析能力,能提供更為詳細的信息,使用戶能夠更精確地發(fā)現(xiàn)存在問題的區(qū)域,并更有效地進行微調(diào)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的細節(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節(jié),用一個集中質(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,建立正確和真實的模型都很重要。內(nèi)部劃分網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)振動才能通過聲腔網(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)格的連接關系,如果結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和聲腔網(wǎng)格不兼容,這時就需要一種網(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)格和聲學網(wǎng)格連接的自動過程。運用該方法時可以靈活修改網(wǎng)格映射操作過程中的任何一個參數(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,該方法可以自動創(chuàng)建主要聲腔的外層,并且使聲腔外層上的指定節(jié)點與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的“X”個節(jié)點連接。軟件提供了完整的預置參數(shù),也可以通過設定搜索距離“Y”,程序?qū)⒆詣由申P于聲腔外層上的這個指定節(jié)點與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上在搜索距離“Y”之內(nèi)的“X”個節(jié)點之間的網(wǎng)格映射矩陣。與這個聲學節(jié)點連接的結(jié)構(gòu)上的所有節(jié)點稱為“濕面節(jié)點”。Virtual.Lab預定義里設置了4個節(jié)點和10mm,一般情況下足以創(chuàng)建良好的耦合關系。Virtual.Lab里還可以生成結(jié)構(gòu)和聲腔外層網(wǎng)格節(jié)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(tài)(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(jīng)定義了聲學和結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(jié)果輸出的點即可。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)點號或節(jié)點坐標(在搜索容差范圍內(nèi)最近的點)確定施加載荷的點,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。 用聲學傳遞向量技術(ATV)的設計迭代 該方案能使工程師發(fā)現(xiàn)問題,細化、改進結(jié)構(gòu)設計,可對分析結(jié)果做更多細節(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算,實現(xiàn)優(yōu)化設計。該方案用FE求解器計算結(jié)構(gòu)模態(tài),利用Sysnoise求解器計算內(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(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GB到100MB)。 2.基于模態(tài)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(jié)果。振動結(jié)果可以是模態(tài)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(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備中關鍵的一步,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)格和聲學網(wǎng)格的連接關系,然后選擇結(jié)構(gòu)模態(tài)投影到聲學網(wǎng)格上,之后就可以在聲學網(wǎng)格上得到縮減的結(jié)構(gòu)模態(tài),這些模態(tài)用在MATVs響應分析中。 4.場點網(wǎng)格生成 將場點網(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,整個有限元聲腔網(wǎng)格上都會產(chǎn)生結(jié)果數(shù)據(jù),存儲這些結(jié)果數(shù)據(jù)需要花費很多時間。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,像司機和乘客的耳朵處。生成聲學傳遞向量(ATVs)也需要用到場點網(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(jié)構(gòu)振動的速度與輸出場點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(jié)構(gòu)優(yōu)化。該技術在載荷和設計參數(shù)變化的仿真中顯示出巨大的優(yōu)越性,因為不需要重新計算。根據(jù)用戶的要求,可以將ATVs技術運用到邊界元網(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,因為只有法向速度才能產(chǎn)生聲波,因此公式又可寫成:
與ATVs相比MATVs不能從聲學參數(shù)計算中得到,還需要掌握振動結(jié)構(gòu)的動力學行為,特別是結(jié)構(gòu)模態(tài)。整個過程如圖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,通過耦合方法計算聲場壓力。用波縮減技術將結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲學模態(tài)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(wǎng)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(yōu)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(wǎng)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(wǎng)格縮減技術做起來非常簡單。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?？s減網(wǎng)格和聲腔網(wǎng)格在濕面即具有完全一致的節(jié)點。LMS Virtual.Lab可以進一步處理全部使用完全相同網(wǎng)格可能產(chǎn)生的節(jié)點編號問題。 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(nèi)飾模塊可以考慮應用到基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基面和聲腔)兩邊壓力和速度之間的關系。傳遞導納系數(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行聲振設計的一切要求。標準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。 對于基于聲振準則進行改進和優(yōu)化設計的工程師,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和方案來調(diào)整設計參數(shù),精確評估設計變更。 LMS Virtual.Lab的集成環(huán)境提供了一個快速有效的數(shù)據(jù)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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