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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及聲學仿真案例剖析
第四屆Actran 用戶大會汽車行業(yè)主題演講回顧
“沃爾沃的NVH部門對數(shù)值方法的實施由來已久。然而,傳統(tǒng)的應用大多局限于低頻的結構聲分析,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)團隊利用結構和聲學仿真工具實施了眾多的應用案例。這些應用涵蓋了部件級和整車級分析:從進排氣系統(tǒng)的氣流噪聲仿真到車外聲源傳至車內(nèi)的聲學傳遞函數(shù)預測;從部件的聲學傳遞損失計算到整車聲學包分析。另外,近幾年逐步興起的應用有風噪聲模擬,音響系統(tǒng)模擬,計算大尺度聲學域的高頻問題,或進行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博士在上個月Actran用戶大會上的主題演講概括。
此次會議由MSC軟件子公司FFT主辦,于2016年10月11日至13日在比利時首都布魯塞爾舉行。相比歷屆會議,此次會議的一大亮點在于汽車行業(yè)的應用案例大幅增長,占據(jù)所有參會客戶行業(yè)的第一位。來自眾多OEM和配件商的精彩演講讓參會者感受到了Actran在汽車行業(yè)應用的蓬勃發(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
主題演講簡介:沃爾沃的NVH部門對數(shù)值方法的實施由來已久。然而,傳統(tǒng)的應用大多局限于低頻的結構聲分析。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,我們選擇了Actran。在主題演講中,我將會介紹跨度較廣的汽車行業(yè)聲學仿真問題,以及沃爾沃集團使用Actran在這些問題上的成功應用。
這些應用包含部件級和整車級分析:從進排氣系統(tǒng)的氣流噪聲仿真到車外聲源傳遞至車內(nèi)的聲學傳遞函數(shù)預測;從部件的聲學傳遞損失計算到整車的聲學包分析。
沃爾沃目前正在測試的其他應用也將一并展示,這些包括:風噪聲模擬,音響系統(tǒng)模擬 ,使用Actran DGM計算大尺度聲學域的高頻問題,使用Actran NPVM(非參數(shù)變換法)進行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,并結合筆者現(xiàn)場參會經(jīng)驗與大家共享。首先,Andrzej 博士按照 1)振動聲學,2)氣動聲學,3)高頻/大尺度聲學問題,這三個大方面對展示案例進行分類。
在振動聲學分類中,主要介紹了三方面應用案例:
1. 部件聲學傳遞損失分析 (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)
在氣動聲學分類中,也介紹了三方面應用:
4. 風噪聲仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
5. 進氣管道流致噪聲及共鳴腔設計 (intake – flow in ducts – resonator design)
6. 排氣流致噪聲仿真 (exhaust – flow noise)
在高頻/大尺度聲學問題中,則介紹了兩方面探索性應用:
7. 車內(nèi)聲腔的高頻響應分析(high frequency cavity response)
8. 車輛鳴笛的外聲場分析(exterior acoustics)
下面是具體應用介紹:
應用1:部件聲學傳遞損失分析 (transmission loss)
這部分分析主要關注車內(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傳遞損失的定義。在實驗中,測量傳遞損失需要借助混響室和消聲室相結合的聲學測試手段,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)實驗,需要恰當模擬實驗中混響室的聲學加載環(huán)境,即擴散聲場(Diffuse sound field)加載。演講提到了Actran對于此種擴散聲場加載模擬的獨特功能。
這里還提到了Actran中的Exterior Acoustic Component功能,可以自動生成結構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調(diào)整。因此對于使用者來說,只需要事先準備好結構件的模型就可以方便計算其聲學傳遞損失了。
首先從最簡單的幾何開始。下面是一個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的仿真結果與理論預測的趨勢完全一致。
傳遞損失仿真可以使用到車輛各類部件中,隨后展示了:
- 空濾器外殼的聲學傳遞損失,對比了標準塑料件與加重塑料件的區(qū)別;
- 前風擋結構的聲學傳遞損失,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)。
應用2:車外聲源至車內(nèi)傳遞函數(shù)分析(transfer functions)
此應用考慮車外空氣聲(如排氣噪聲)傳至車內(nèi)的聲學傳遞函數(shù)(ATF)。下圖是在半消聲室中的實車測試。
下面是將問題簡化,使用藍車身(Body in Blue,BIB)進行的測試。
使用Actran仿真此類ATF,可以將問題解耦成兩部分進行計算。第一部分僅考慮外聲場傳播,計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結構模型進行加載,并計算車內(nèi)空腔的聲學響應。這里提到了快速Krylov求解器大大提高了外聲場計算的效率。MSC Nastran結構和空腔的耦合模型則使用經(jīng)典的模態(tài)頻率響應求解方法。
應用3:車內(nèi)音響模擬(loudspeaker model)
對于高級轎車,音響的聲品質(zhì)至關重要。高配的車型有時還配備主動降噪技術,利用相位相反的聲波相消干涉的原理,由揚聲器主動發(fā)出反相聲波消減車內(nèi)原有的噪音。對于揚聲器和其安裝環(huán)境的分析成為沃爾沃目前聲學研究的重點。
喇叭單體是較為復雜的部件,精確模擬各材料參數(shù)有一定困難。而供應商也往往難以提供準確材料參數(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系。使用這組參數(shù)結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,得到喇叭聲學響應的效果。
喇叭單體安裝在車門上的效應也很重要,這是由于車門的結構及其空氣背腔會影響喇叭的性能。針對這類安裝效應,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。
最后是集成到藍車身中的喇叭性能研究,展示了仿真與測試的對比。
應用4:風噪聲仿真分析 (wind noise based on Fluent CFD results)
對于高速行駛的車輛,風噪聲是重要噪聲源。沃爾沃采用了流體軟件Fluent和Actran聯(lián)合仿真的技術,進行風噪聲源的計算及其透過側(cè)窗向車內(nèi)的傳播。
沃爾沃在風洞中測試了V70轎車在時速140公里條件下的噪聲,對A柱和后視鏡附近區(qū)域進行了聲強的測量。
下面是CFD的設置,采用非定常仿真大渦模擬,將側(cè)窗附近區(qū)域的流場計算結果依時間步輸出。
下面是Actran氣動聲學設置,建立側(cè)窗附件的聲學傳播區(qū),并布置虛擬麥克風場點以計算聲強結果。
通過對比測試結果與仿真結果,可以總結出仿真精度受CFD網(wǎng)格加密影響較大。由此得出了聲學仿真截斷頻率與CFD網(wǎng)格加密程度之間的關系。
這里展示的僅是風噪外聲場計算,傳遞到車內(nèi)的聲場計算目前正在開展中。
應用5: 進氣管道流致噪聲及共鳴腔設計 (intake – flow in ducts – resonator design)
汽車在低速加速時,渦輪壓縮機可能產(chǎn)生一些明顯的噪聲(如whoosh流噪, sigh noise等),這些噪聲會經(jīng)過進氣系統(tǒng),以管道進口噪聲和結構振動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。共鳴腔的幾何設計可由需要抑制的目標頻率確定。而對于進氣管道的振動輻射聲模擬,則需要建立聲振耦合的模型。
應用6: 排氣流致噪聲仿真 (exhaust – flow noise)
當排氣管道流速較大時會產(chǎn)生明顯的流噪聲。
同風噪聲仿真原理類似,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。其中關鍵點是如何從CFD結果中提取聲源。較傳統(tǒng)的方式是首先進行非定常CFD分析,然后利用聲類比技術,即通過Lighthill或Mohring聲類比方式,將時間步的流場結果轉(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結果計算氣動噪聲。此種方法更適合對比不同流速或不同氣動外形設計下產(chǎn)生噪聲的差值。使用SNGR方法可以省掉冗長的非定常CFD計算時間,大大縮短設計對比的周期。
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)測試結果(實線)與SNGR結果(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)實驗標定絕對值。不過這里我們可以看到SNGR在預測不同流速下噪聲的差值是較為準確的。
應用7: 車內(nèi)聲腔的高頻響應分析(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,可以用于揚聲器集成和車內(nèi)聲環(huán)境的預測。
傳統(tǒng)上高頻聲響應的模擬較多依賴聲線法。這是一種幾何聲學方法,使用起來較為復雜,而且對使用者的理論和經(jīng)驗基礎要求較高。
沃爾沃目前正在使用Actran中的DGM模塊仿真高頻聲學問題。Actran DGM是基于間斷伽遼金方法的聲學模塊,區(qū)別于傳統(tǒng)的有限元方法,采用時域仿真方式,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的計算時間。如此進行車內(nèi)聲腔在10KHz下的計算僅需3小時。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行定義。
應用8:喇叭鳴笛的車外聲場分析(exterior acoustics)
最后一個應用是外聲場的例子。法規(guī)規(guī)定,車在鳴笛時其前方7米遠處的聲壓級測試需要給出大于94dB(A)的數(shù)值。隨著當下設計中車前板的增厚趨勢,沃爾沃還不太確定將來的車型設計能否滿足以上法規(guī)。因此使用仿真對此問題進行預研。
模擬此問題的挑戰(zhàn)主要在于復雜的幾何形狀(發(fā)動機艙復雜,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),真實的還原如此復雜的聲傳播問題。
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。這在商用車領域是個較常見的問題。進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)性的聲學問題。
總結:
下面是沃爾沃主題演講的總結。主要講到Actran對于車輛行業(yè)NVH分析和聲學分析有很高適用性。這次展示的案例有一些已經(jīng)進入或完成項目實施,有些還在預研階段。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)性的振動聲學問題。Actran與流體仿真的結合可以將傳統(tǒng)的低頻結構聲分析延展至高頻空氣聲分析。
后記:Actran用戶大會簡介及車輛客戶報告整體情況
2016年10月11日至13日,由MSC軟件子公司FFT主辦的第四屆Actran用戶大會在比利時首都布魯塞爾舉行。
由于近年來Actran軟件在全球范圍內(nèi)客戶群體的高速增長,以及廣大用戶參會的濃厚興趣,此次用戶大會的論文演講數(shù)量超過歷屆會議的紀錄。由于演講數(shù)目眾多,大會首次啟用了分會場演講的形式。
此次會議的一個亮點在于汽車行業(yè)的應用案例明顯增長。來自眾多OEM和配件商的精彩展示讓參會者感受到了Actran在汽車行業(yè)應用的蓬勃發(fā)展。
汽車行業(yè)演講題目:
- 沃爾沃乘用車(會議主題演講):沃爾沃乘用車使用Actran案例介紹
- 法拉利(會議特邀嘉賓演講):動力系統(tǒng)聲品質(zhì)的開發(fā)理念與實踐
- 沃爾沃乘用車:排氣管道氣動噪聲仿真
- 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驗和仿真方式的聲音模擬
- 奧迪:超高速行駛下外氣動力引起車門振動導致的內(nèi)噪聲仿真
- 沃爾沃卡車:進氣管道噪聲傳至駕駛室的聲源與路徑分析
- 瑪賽拉蒂:前圍板的聲學傳遞損失分析
- 博格華納:渦輪增壓器隔熱罩的聲學性能分析
- 庫博標準:車門密封條的聲學性能分析
- 麥格納:車輛聲學包開發(fā)及風噪聲仿真
- 天納克:針對混動車輛排氣噪聲的有源主動聲控制仿真
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