ACTRAN——聲學模擬專家

  一、概述

  ACTRAN是比利時FFT公司的產(chǎn)品。ACTRAN除了包含其他計算聲學軟件的全部特征之外,還包含了許多獨特的技術(shù)優(yōu)勢:聲波在非均質(zhì)運動流體中的傳播;模態(tài)坐標與物理坐標相結(jié)合,可以快速模擬復雜結(jié)構(gòu)的聲學問題;對有回響和無回響空間的模擬;聲音通過復合材料的傳輸和吸收;流固耦合效應對聲音傳播的影響;真實的邊界條件和激勵,包括聲襯邊界條件、擴散聲場激勵、湍流邊界層激勵、頂棚落雨激勵、隨機運動學激勵和動力學激勵。

  ACTRAN的計算速度完全超出人們對傳統(tǒng)有限元法的想象,對典型的聲輻射問題,ACTRAN比邊界元法快10倍以上。ACTRAN內(nèi)部包含了豐富的求解器,可以分別適用于大內(nèi)存、小內(nèi)存、共享內(nèi) 存多處理器以及分布式多處理器的機群,確保在各種條件下都可 以獲得最佳的計算效率和并行加速比。

  而基于有限元技術(shù)的ACTRAN非常適合于模擬各種復雜的聲振 耦合問題,圖1是揚聲器鼓膜在1600Hz時的變形,圖2是在不同阻 尼條件下傳遞函數(shù)(功率與激勵之比)。

  ACTRAN基于有限元技術(shù),與其他有限元程序保持了內(nèi)在的 一致性,因此容易與其他主要的CAE工具集成和耦合。ACTRAN 具有NATRAN、ABAQUS和ANSYS等有限元程序的接口,可以導入這些程序的振動激勵和模態(tài)模型。ACTRAN也可以導入主流CFD程序(如Fluent、Star-CD、Star-CCM、Powerflow和CFX)的計算結(jié) 果,作為流動聲源或統(tǒng)計非均質(zhì)流動效應。而ACTRAN還與主流 的有限元前后處理工具(如I-DEAS Master Series、MSC.Patran 和Hypermesh)直接無縫集成,用戶可以使用這些工具的標準功 能以及具有同樣風格的對話框和圖標菜單。

  FFT公司針對各種不同的問題定制了一系列專業(yè)化的模擬工具,確保我們所提供的解決方案與用戶聲學設(shè)計的需要相匹配。 本文將詳細介紹ACTRAN軟件家族所包含的能夠滿足不同需要的專 業(yè)工具,如圖3所示。

  二、高效率的聲輻射和聲傳播模擬軟件ACTRAN Acoustics

  1.介紹

  ACTRAN Acoustics是ACTRAN軟件系列的基礎(chǔ),它既可以單獨 使用,又是其他高級工具(如ACTRAN Vibro-Acoustics、ACTRAN Aero-Acoustics和ACTRAN TM)要求配置的基礎(chǔ)軟件。

  ACTRAN Acoustics包含了許多排他性聲學模擬能力,既可以 模擬簡單的部件,也可以模擬復雜的系統(tǒng)。ACTRAN Acoustics的 聲學模擬能力得益于FFT公司具有排他性、高魯棒性和高效率的 聲學有限元和無限元庫及求解技術(shù)。ACTRAN Acoustics同時提供 模態(tài)方法和物理方法,可以輕而易舉地分析空腔中的聲場。吸音壁面可以用阻抗邊界條件和多孔材料模型加以詳細模擬。ACTRAN Acoustics特別適合于聲輻射分析,可以高效率地完成系統(tǒng)級的 輻射噪聲分析,比如大型柴油發(fā)動機系統(tǒng)的輻射聲場,如圖4所 示。ACTRAN Acoustics還提供了分析管道中聲傳播的強大功能, 可以用來設(shè)計進氣和排氣管路,以及在建筑物、飛機和汽車中 的空氣分配系統(tǒng)。

  而對非均質(zhì)流動和溫度梯度效應的處理是ACTRAN Acoustics 的重要特色之一,ACTRAN能夠精確統(tǒng)計消聲器的溫度梯度效應, 如圖5和圖6所示。除此之外,還包含了處理粘熱效應的特殊單 元,這對聲波在窄通道和薄空腔中的傳播特別重要,典型的應 用如助聽器、聲納陣面板等。

  2.ACTRAN Acoustics的典型應用

  ◎振動結(jié)構(gòu)的聲輻射:傳動系、發(fā)動機部件(油底殼、進氣歧管、空氣過濾器和閥蓋)、發(fā)動機系統(tǒng)、壓縮機、電機以 及揚聲器等;

  ◎進氣和排氣噪聲:包括復雜的消聲器;

  ◎在汽車、火車和飛機乘客艙內(nèi)部的聲音吸收;

  ◎在非均質(zhì)、具有溫度梯度等復雜流體介質(zhì)中的聲傳播;

  ◎聽覺設(shè)備,如電話、助聽器及聲學儀器。

  ACTRAN Acoustics在進行系統(tǒng)級噪聲分析時,可以分析各個 部件對輻射聲功率的貢獻,如圖7、圖8所示。而對于復雜的進排 氣系統(tǒng),直接用有限元法模擬整個系統(tǒng)是困難的,ACTRAN提供了專門針對進排氣系統(tǒng)的傳遞矩陣法,它既可以包含管部件,也可以包含向外輻射噪聲的殼部件,并且對官部件和殼部件的形狀沒有任何限制,既突破了傳統(tǒng)有限元對分析規(guī)模的限制,又突破了傳統(tǒng)矩陣傳遞法對管截面形狀的限制,如圖9所示。

  三、高級振動聲學模擬軟件ACTRAN Vibro- acoustics

  1.介紹

  ACTRAN Vibro-accoustics建立于ACTRAN accoustics之 上,ACTRAN Vibro-accoustics提供豐富單元庫、材料庫、邊界 條件以及激勵類型、求解方法和求解器。

  用戶可以在ACTRAN中利用它豐富的材料庫建立結(jié)構(gòu)模型。 事實上,ACTRAN不僅提供表達聲學和粘彈性介質(zhì)等常規(guī)材料,而且還包含許多特殊模型,用于表達多孔和不可壓縮性介質(zhì)、復合材料以及主動單元部件(包括壓電陶瓷)。ACTRAN支持不一致網(wǎng) 格,如圖10所示,風擋和乘客艙分別劃分網(wǎng)格,在幾秒鐘之內(nèi)就 可以被結(jié)合在同一個模型之中,以便取得最真實的結(jié)果。

  ACTRAN Vibro-accoustics可以從大多數(shù)有限元程序中導入表達結(jié)構(gòu)模型的模態(tài),模態(tài)模型的引入將大幅減低聲振耦合問題的求解時間,使ACTRAN可以模擬更為復雜的工程結(jié)構(gòu)。ACTRAN Vibro-accoustics可以在振動聲學模型上施加真實的工作條件,包括聲學、運動學、動力學邊界條件,以及擴散聲場、湍流邊界層等。而ACTRAN Vibro-accoustics與ACTRAN Aero-accoustics相結(jié)合,還可以實現(xiàn)對最復雜的氣動、振動聲學問題的綜合模擬。用戶可以選擇在物理坐標和模態(tài)坐標下的求解聲振耦合模型或非耦合模型,既可以在頻域求解頻率響應函數(shù),也可以在時域求解結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應。高效率的線性方程求解器和并行處理能力可以使您在聲學設(shè)計時求解工業(yè)規(guī)模的問題。消聲器模型包含內(nèi)部和外部聲學模型與柔性結(jié)構(gòu)的耦合,如圖11所示。

  2.ACTRAN Vibro-accoustics的典型應用

  ◎汽車:與傳動系、進排氣、乘員艙、裝飾件、軟管、車窗、風擋、音響及HAVC相關(guān)的噪聲問題;

  ◎航空:通過駕駛艙和機身的聲傳播、在空氣分配中系統(tǒng)的聲傳播,以及湍流邊界層激勵的響應;

  ◎航天:起飛時火箭有效載荷的動態(tài)響應、雷達和天線等部件的聲疲勞,以及儀器艙的減振降噪設(shè)計;

  ◎航海:水下聲傳播、聲納;

  ◎消費類產(chǎn)品:電話、耳機、揚聲器、磁盤驅(qū)動器、洗衣機、冰箱以及照相機等。

  四、系統(tǒng)級裝飾件噪聲模擬工具ACTRAN for NASTRAN

  1.介紹

  ACTRAN for NASTRAN是結(jié)合了ACTRAN和NASTRAN技術(shù)優(yōu)勢的振動聲學軟件,它將NASTRAN融入到ACTRAN之中,這樣就可以在聲學分析時利用NASTRAN的超單元特性。

  ACTRAN Vibro-Acoustics是模擬復雜聲振系統(tǒng),特別是裝飾部件的強大工具。這些裝飾部件通常用具有很強吸音性能的高阻尼材料制成,因而對結(jié)構(gòu)的總體聲振特性有著重要的影響,考慮高阻尼效應需要使用物理坐標。NASTRAN是輕阻尼結(jié)構(gòu)和空腔聲振分析的參考工具,它的特色在于高效率地模態(tài)分析求解,因此非常適合處理汽車白車身、飛機機身這樣的大模型,NASTRAN模型通?？梢栽谀B(tài)坐標下使用。

  ACTRAN for NASTRAN為CAE工程師提供了將ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模態(tài)模型結(jié)合在一起方法。ACTRAN for NASTRAN使模擬包含所有裝飾件的整車成為可能。為了兼顧了精度和效率,FFT開發(fā)了革命性的混合方法,基于這些混合方法,模態(tài)和物理方法的優(yōu)勢被綜合起來,而它們的缺點被回避了。白車身模型與內(nèi)飾件的耦合,如圖12所示。

  2.ACTRAN for NASTRAN的典型應用

  ◎?qū)CTRAN的物理模型和NASTRAN的模態(tài)模型結(jié)合起來模擬包含裝飾件的整個系統(tǒng),如汽車乘客艙、飛機客艙和船艙等;

  ◎分析部件在真實安裝條件下的聲音傳播。

  五、流動噪聲模擬軟件ACTRAN Aero -Acoustics

  1.介紹

  ACTRAN Aero-Acoustics是預測湍流噪聲的聲學有限元軟件,ACTRAN Aero-Acoustics從商業(yè)CFD程序(如Fluent、Star- CD、StarCCM、Powerflow以及Ensight)的模擬結(jié)果中獲取流動 聲源。約翰-迪爾公司利用ACTRAN分析農(nóng)林機械噪聲,氣動噪聲源如圖13所示。

  完整的模擬過程包含以下三步。

  (1)利用CFD程序完成非定常流動模擬。在每一個時間步,CFD的解(速度、密度和壓力場)存儲為CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

  (2)ACTRAN Aero-Acoustics根據(jù)第一步的CFD的結(jié)果計算流動噪聲源,包括將結(jié)果從時域轉(zhuǎn)化到頻域,并將其從CFD網(wǎng)格插值到聲學網(wǎng)格。

  (3)聲輻射和傳播計算。得到聲壓、聲速和聲強,以及各種局部量(壓力)和全局(功率)的頻率響應函數(shù)。美國偉世通選擇ACTRAN作為汽車零部件的聲學設(shè)計工具,聲壓分布如圖14 所示。

  多步方法將帶來以下好處:每一部分工作可以由具有不同責任和訓練的工程師、部門或公司分別完成;一個CFD模擬結(jié)果可以用于不同的聲學模擬,如不同的聲學處理;聲學網(wǎng)格不必像CFD網(wǎng) 格那樣在流動結(jié)構(gòu)很小的區(qū)域(如邊界層區(qū)域)細化。

  2.ACTRAN Aero-Acoustics的典型應用

  ◎空調(diào)系統(tǒng)(HVAC);

  ◎后視鏡噪聲;

  ◎機身噪聲(起落架、機翼后緣);

  ◎空氣分配系統(tǒng);

  ◎水動噪聲。

  六、旋轉(zhuǎn)機械噪聲模擬軟件ACTRAN TM

  1.介紹

  ACTRAN TM是分析渦輪機械聲輻射,以及優(yōu)化與渦輪機械 輻射噪聲相關(guān)聲學處理部件的工具。由于能夠準確計入非均質(zhì)流對噪聲的影響,因此ACTRAN TM能夠獲得精確的發(fā)動機殼體噪聲,如圖15所示。

  ACTRAN TM提供了渦輪機械噪聲分析所需要的所有高級模擬功能。ACTRAN TM具有以下排他性的技術(shù)優(yōu)勢:

  (1)準確捕捉非均質(zhì)流動的對流和折射效應,既可以用ACTRAN 計算非均質(zhì)背景流動,也可以從其他CFD仿真程序?qū)?

  (2)利用ACTRAN TM中的Myers邊界條件,聲襯的影響被精確統(tǒng)計;

  (3)可以用入射管道模態(tài)來定義聲源,或者根據(jù)一組平面的壓力脈動提取聲源,壓力脈動來自CFD的瞬態(tài)計算結(jié)果。

  聲學CAE的挑戰(zhàn)之一就是處理大馬赫數(shù)、大幾何尺寸以及形狀復雜的大模型,ACTRAN TM包含高級并行處理能力在內(nèi)的高效率求解技術(shù),只有ACTRAN TM才可以應對這些挑戰(zhàn)。分離劈對管道聲傳播的影響,如圖16所示。

  ACTRAN TM不僅用于飛機短艙輻射噪聲分析和聲襯設(shè)計,而且也可用于直升機渦輪進口和出口、以及環(huán)境控制系統(tǒng)和APU的聲學設(shè)計。除此之外,ACTRAN TM也可以用于像計算機冷卻系統(tǒng)這 樣的非航空應用。而ACTRAN TM與ACTRAN DGM結(jié)合,可以求解像發(fā)動機排氣這樣涉及復雜剪切層和溫度梯度的復雜問題。

  2.ACTRAN TM的典型應用

  ◎飛機發(fā)動機噪聲,包括短艙設(shè)計;

  ◎管道式冷卻系統(tǒng);

  ◎鼓風機系統(tǒng);

  ◎直升機渦輪噪聲。

  七、發(fā)動機排氣噪聲模擬軟件ACTRAN DGM

  1.介紹

  ACTRAN DGM是對ACTRAN TM的最好補充,它可以求解比 ACTRAN TM更高的馬赫數(shù)和更高的頻率,使ACTRAN DGM成為模擬 發(fā)動機排氣噪聲的排他性工具。

  ACTRAN DGM使用非連續(xù)有限元來求解線性化的歐拉方程,能 夠預測在復雜物理條件下噪聲傳播。它特別適合于求解具有二次 空氣系統(tǒng)的航空發(fā)動機的氣動聲學問題,它精確統(tǒng)計了強剪切層 流動、溫度梯度和非均質(zhì)平均流動的聲傳播效應。ACTRAN DGM可 以求解二維、軸對稱及三維問題。它具有模擬排氣噪聲需要的所有邊界條件:表達聲源的管道模態(tài)激勵、無反射邊界條件,以及 對Myers邊界的時域變換來模擬聲襯邊界條件。背景流動對聲音傳 播的影響、以入射管道模態(tài)的術(shù)語定義激勵以及無反射邊界條件 的使用,確保ACTRAN DGM具有出眾的模擬結(jié)果,如圖17所示。 網(wǎng)格生成簡單是ACTRAN DGM的關(guān)鍵優(yōu)勢之一。對于非結(jié)構(gòu)化 網(wǎng)格,它不必遵循有限差分網(wǎng)格的一般性規(guī)則。因為單元的階次是自動調(diào)整的,使用非均勻網(wǎng)格(在同一模型中使用非常小的單元和非常大的單元)不會帶來性能的降低。此外,同樣的網(wǎng)格可 以分析的頻率范圍比通常的有限元大4倍,模型設(shè)計的分析頻率為1000Hz,實際可以分析的頻率范圍為500~2000Hz。

  由于ACTRAN DGM實現(xiàn)了在非連續(xù)空間體系求解線性化的歐 拉方程組,這使ACTRAN DGM具有非常優(yōu)異的并行加速比,因而 可以用其求解非常大的工程問題。

  2.ACTRAN DGM的典型應用

  ◎渦輪排氣噪聲;

  ◎大型渦輪進氣噪聲;

  ◎所有涉及非均質(zhì)平均流動效應的聲傳播問題。

  八、前后處理工具ACTRAN VI

  ACTRAN VI是專業(yè)聲學前后處理軟件,它可以完成分析任務的生成、編輯等前處理任務,如圖18所示。

  ACTRAN VI除了具有云圖、矢量圖和數(shù)據(jù)報告等通用后處理 功能外,還具有瀑布圖、多工況曲線圖等后處理能力,能夠滿 足聲學分析對后處理的特殊要求。