機(jī)車噪聲模擬案例

FFT-ACTRANACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用李奇博士ACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用ACTRAN軟件介紹列車的噪聲問題ACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用ACTRAN軟件背景世界上三款知名的聲學(xué)軟件ACTRAN，比利時FFT公司Sysnoise〔現(xiàn)在的VirtualLab〕,比利時LMS公司VA-ONE，法國ESI公司〔由ESI公司收購的Rayon和AutoSEA整合而成〕其中Sysnoise和ACTRAN均由現(xiàn)在的FFT公司Jean-LouisMigeot教授和Jean-PierreCoyette教授創(chuàng)立ACTRAN軟件背景FFT和ACTRAN創(chuàng)立的背景兩位教授開發(fā)的Sysnoise被LMS收購后，1998年選擇離開！11家大公司于1999~2001年組成了ACTRAN聯(lián)盟，資助兩位教授開發(fā)ACTRAN，并成為第一批客戶雷諾、寶馬、標(biāo)致、菲亞特、通用汽車等整車企業(yè)立達(dá)〔Rieter〕、哈金森〔Hutchinson〕汽車配件公司空客航空殼牌石油、Glaverbel能源、材料德國勞埃德船級社船舶FFT參加眾多科研工程，從風(fēng)機(jī)噪聲、輪胎噪聲、航空發(fā)動機(jī)噪聲到高性能計算以及產(chǎn)品的聲學(xué)設(shè)計等。Locations?；晫W(xué)部門咨詢工程某型飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、機(jī)翼聲學(xué)設(shè)計與優(yōu)化高速列車振動、氣動噪聲分析核工業(yè)管道共振腔氣動噪聲分析、聲疲勞分析…培訓(xùn)與教學(xué)聲學(xué)課程噪聲分析培訓(xùn)ACTRAN軟件培訓(xùn)請關(guān)注SomeAerospaceCustomersSomeAutomotiveCustomersSomeOtherReferencesTheACTRANsoftwaresuiteACTRANVibro-AcousticsACTRANAero-AcousticsACTRANTMACTRANAcousticsACTRANDGMACTRANVIACTRANforNASTRANACTRANAcoustics聲學(xué)仿真工具典型應(yīng)用管道中聲傳播聲波遇到障礙物的衍射振動結(jié)構(gòu)的聲輻射作為其他ACTRAN高級模塊的根底ACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTM消聲器空調(diào)系統(tǒng)齒輪箱聲輻射ACTRANVibroAcoustics振動聲學(xué)仿真工具=聲學(xué)有限元+結(jié)構(gòu)有限元豐富的有限單元與材料庫:聲學(xué)有限元與無限元粘彈性梁單元、殼單元、實(shí)體單元、復(fù)合材料單元允許考慮預(yù)應(yīng)力作用(*)多孔與多孔彈性單元壓電材料單元，支持換能器、聲納與噪聲主動控制模擬(*)真實(shí)的鼓勵方式:聲學(xué)，運(yùn)動學(xué)與動態(tài)鼓勵隨機(jī)鼓勵：湍流邊界層、擴(kuò)散聲場、δ相關(guān)鼓勵，得到平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差等高性能求解器與并行處理揚(yáng)聲器側(cè)窗聲傳遞殼體振動輻射噪聲ACTRANAeroAcoustics流致噪聲仿真工具特性：支持大多數(shù)的CFD軟件，并經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；Lightill聲類比、M?hring聲類比；在有限元網(wǎng)格上可以定義邊界條件：任何邊界條件都可使用!!!這是與其他處理方法(如Curle,FWHorBEM)相比，最大的優(yōu)勢！可以與VibroAcoustics聯(lián)合計算，進(jìn)行振動/流動聲學(xué)一體化分析客戶：

Daimler,BMW,VW,Delphi,Visteon,JohnDeere,Brothers,PSA...風(fēng)扇噪聲空調(diào)管道與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較ACTRANforNASTRAN從白車身到添加內(nèi)飾材料整車模型的聲學(xué)仿真工具應(yīng)用于分階段的研發(fā)進(jìn)程滿足計算精確性要求的同時，極大地提高求解速度與Nastran完全兼容，支持超單元應(yīng)用客戶:Ford,Nissan,Rieter,...TrimiseverywhereSuperlementcouplingFromBIWtotrimmedbodyACTRANVIACTRAN各模塊的前后處理器利用其他CAE工具創(chuàng)立的網(wǎng)格，建立ACTRAN分析模型提供腳本化語言編輯功能方便快捷的后處理功能云圖、頻譜曲線、瀑布圖、指向性曲線自動計算全局量從云圖結(jié)果提取場點(diǎn)響應(yīng)Plt2audio：將頻譜曲線轉(zhuǎn)換為聲音文件ModelcreationandvalidationAdvancedpost-processingFRFDisplayToolACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用ACTRAN軟件介紹列車的噪聲問題ACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用列車噪聲問題概述軌道交通噪聲對周圍居民生產(chǎn)生活的影響，日趨嚴(yán)重。降低列車噪聲已成為當(dāng)前交通運(yùn)輸工程中的緊迫任務(wù)之一。列車運(yùn)行噪聲主要包括，輪軌噪聲，機(jī)車動力裝置噪聲，列車振動噪聲，等等。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，氣動/湍流噪聲成為新型高速列車另一重要噪聲源。傳統(tǒng)的列車發(fā)動機(jī)噪聲A計權(quán)關(guān)系LA=30lgN+10lgP-31.4(dBA)，對于新型高速列車不再適用，其中N為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，P為發(fā)動機(jī)馬力。列車噪聲問題概述高速客車噪聲影響包括兩個方面，車內(nèi)環(huán)境舒適感與外部周圍居民的正常生產(chǎn)生活環(huán)境。有效抑制列車噪聲可以分為主動控制聲源和被動控制兩類主要途徑?？茖W(xué)模擬列車運(yùn)行氣動噪聲，可以指導(dǎo)通過合理優(yōu)化列車氣動外形有效降低運(yùn)行中高速流動產(chǎn)生的噪聲。這也是通過主動控制聲源降低高速列車噪聲直接有效地方法。科學(xué)模擬列車車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裝飾部件在振動鼓勵下形成的車廂內(nèi)部噪聲環(huán)境，對合理評價車廂結(jié)構(gòu)與聲學(xué)設(shè)計具有實(shí)際應(yīng)用指導(dǎo)意義，可以直接作為預(yù)測乘客乘車舒適感的主要方法與依據(jù)。ACTRAN在機(jī)車行業(yè)的應(yīng)用ACTRAN軟件介紹列車的噪聲問題ACTRAN在列車聲學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用高速列車氣動噪聲分析列車車廂振動噪聲分析列車結(jié)構(gòu)隔聲性能研究氣動噪聲問題概述原始結(jié)構(gòu)幾何模型與噪聲問題描述ACTRANAero-acoustics湍流噪聲分析流程與原理CFD非定常流動模擬 CFD網(wǎng)格劃分與Fluent建模 CFD模擬結(jié)果CAA湍流噪聲分析 ACTRANAero-acoustics模型 CAA網(wǎng)格劃分與ACTRAN建模 ACTRAN-iCFD提取噪聲源(Lighthill/Mohring)和導(dǎo)入流場(Mohring) ACTRANAero-acoustics頻域分析結(jié)果列車車身模型車身結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型列車車身氣動噪聲問題工況說明： 【1】列車車身結(jié)構(gòu)如上頁圖所示 【2】外流場為均勻流場,平均流動速度380km/h 【3】雷諾數(shù)Re~1*107,馬赫數(shù)Ma~0.3 【4】車身為硬結(jié)構(gòu)，在氣流作用下不發(fā)生形變需求：在不同車速下，車身外表氣流流動產(chǎn)生的湍流噪聲響應(yīng)最大噪聲響應(yīng)的頻率和量級，以及對應(yīng)的工況ACTRAN

/Aero-acoustics湍流噪聲計算流程CFD-LES/DES/URANS非定常流場分布壓力，速度，密度，等…ACTRAN-iCFD根據(jù)CFD計算結(jié)果通過Lighthill或Mohring聲類比提取湍流噪聲源

通過傅里葉變換將時域結(jié)果變換到頻域ACTRAN-

Aero-acoustics

傳播iCFD計算出的流動聲源

計算聲場分布以及指定位置的聲學(xué)變量ACTRAN-VI計算數(shù)據(jù)后處理，聲場云圖及頻譜顯示FromCFDtoCAA...ACTRAN/

Aero-acoustics計算原理

CFD計算(URANS,LES,DNS,…)確定非定常流場根據(jù)非定常流場計算結(jié)果提取流動噪聲源Lighthill聲類比M?hring聲類比體聲源區(qū)域

WsCAA計算域

W(Actran/AA,FEM)無反射邊界

Ge測量面測量點(diǎn)Lighthill/Mohring聲類比LighthillAnalogy線性聲場，流場與聲場沒有耦合低馬赫數(shù)(Ma<0.2)高雷諾數(shù)(Re~106)均勻介質(zhì)聲傳播MohringAnalogy非線性聲場，對流影響聲場較強(qiáng)平均流動高雷諾數(shù)(Re~106)非均勻介質(zhì)聲傳播CFD流場計算網(wǎng)格

怎樣構(gòu)建CFD計算網(wǎng)格？通過網(wǎng)格生成工具，例如iCEMCFD，Patran，Hypermesh等…導(dǎo)入幾何模型生成CFD計算網(wǎng)格

CFD非定常流場計算FluentDES別離渦模擬結(jié)果(Vmean=105.555m/s)車身外表壓力分布圖CFD非定常流場計算FluentDES別離渦模擬計算結(jié)果(Vmean=105.555m/s)TurbulentIntensity

CFD非定常流場計算FluentDES別離渦模擬計算結(jié)果(Vmean=105.555m/s)速度幅值云圖

CFD非定常流場計算FluentDES別離渦模擬阻力系數(shù)(Cd)結(jié)果NormalizedDragCoefficient(top)&ItsFourierTransform(bottom)

ACTRAN/Aero-acoustics列車車身氣動噪聲模型聲學(xué)網(wǎng)格聲傳播媒質(zhì)材料頻域分析模型CAA聲場計算網(wǎng)格

怎樣構(gòu)建CAA計算網(wǎng)格？通過網(wǎng)格生成工具，例如iCEMCFD，Patran，Hypermesh等…導(dǎo)入幾何模型生成CFD計算網(wǎng)格

CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域聲學(xué)全模型〔左圖〕聲學(xué)近場模型〔右圖〕CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域聲傳播區(qū)域〔左圖〕無反射邊界〔右圖〕CAA:ACTRAN

/Aero-acoustics計算區(qū)域測量面〔左圖〕測量點(diǎn)〔右圖〕ACTRAN-iCFD提取流動噪聲源ACTRAN湍流噪聲分析需要根據(jù)CFD工具(例如Fluent,Star-CD,CFX等)計算得到的非定常流場提取流動噪聲源ACTRAN–iCFD [1]根據(jù)流場變量通過Lighthill/Mohring聲類比沿CAA網(wǎng)格積分計算流動噪聲源 [2]通過Fourier變換將時域結(jié)果變換到頻域 [3]Mohring聲類比還需要將CFD流場導(dǎo)入到CAA計算網(wǎng)格上ACTRAN-iCFDACTRAN-iCFD提取流動噪聲源NyquistTheorem

原始連續(xù)時間變量q(t)

離散采樣時間序列q(tk)

q(t)~q(tk)ifΔt<1/(2fmax) fmax=5000Hz

Δt<0.0001sCFD非定常流場采樣 fmin=1/(NΔt) fmax=1/(2Δt) Δf=fmin fmin=50Hz fmax=5000HzN=200,Δt=0.0001sCAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕湍流聲源分布云圖

10Hz

50Hz100Hz

1000HzCAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕聲源附近測量點(diǎn)的聲壓級頻率譜線(SPLindB,fieldpoints1-6)CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔10Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔20Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔50Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔100Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔200Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔500Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果-聲壓級云圖〔1000Hz,平均流速380km/h〕CAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕近場(7m)測量點(diǎn)聲壓級頻率譜線CAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕近場(12m)測量點(diǎn)聲壓級頻率譜線CAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕遠(yuǎn)場測量面(50m)聲壓級云圖(正俯視圖)10Hz20Hz50Hz100Hz200Hz500Hz噪聲輻射指向性(50m)水平面DDX-Y(左圖)180o橫截面DDY-Z(右圖)90oCAA模擬結(jié)果〔平均流速380km/h〕氣動噪聲問題總結(jié)ACTRAN在機(jī)車行業(yè)的應(yīng)用高速列車氣動噪聲分析列車車廂振動噪聲分析列車結(jié)構(gòu)隔聲性能研究列車車廂振動聲學(xué)分析

介紹車廂模型長:4m，高:3.12m，寬:3m車身由三層材料組成:10mm厚鋁,10mm厚多孔材料,10mm厚塑料車窗:玻璃車門:鋼考慮到對稱性，截取車廂的半空間建模鼓勵:懸架處施加點(diǎn)力載荷(地板上)頻率范圍:5Hz–500Hz,頻率步5Hz分析分兩步:1，耦合車身與車廂內(nèi)部空間;2,半自由場聲輻射(考慮地面反射效應(yīng))模型介紹-1車身結(jié)構(gòu):車窗:車門:車廂空間:外層:鋁,10mm中間層:多孔材料,10mm內(nèi)層:塑料,10mm單層:玻璃,30mm單層:鋼,30mm空氣兩個載荷位置:1,車窗下地板施加1N點(diǎn)力載荷2,車門處地板施加1N點(diǎn)力載荷，相位與第一個點(diǎn)力載荷相反三種載荷工況:1,只考慮點(diǎn)力載荷12,只考慮點(diǎn)力載荷23,綜合兩個載荷邊界條件:1,車廂連接處，結(jié)構(gòu)邊界沿著車身方向位移自由，其余兩個方向?yàn)榱悖?,對稱面上，沿著對稱面法向的結(jié)構(gòu)位移為零，其余方向自由。模型介紹-2分析步驟1–

Structureandinnercavity載荷工況1

車窗下方地板施加1N點(diǎn)力載荷傳遞函數(shù):

聲壓級/點(diǎn)力載荷

11023500Hz,directivity,(dB)Transferfunction(dB)Microphone1,frequencyresponsefunction,(dB)Transferfunction(dB)分析步驟1–

車身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部聲場載荷工況1

車窗下地板施加點(diǎn)力載荷300Hz,SPL(dB)500Hz,SPL(dB)11023分析步驟2–

聲輻射基于第一步車身振動相應(yīng)結(jié)果，計算輻射噪聲近場聲學(xué)有限元聲學(xué)無限元，模擬遠(yuǎn)場響應(yīng)外部空氣區(qū)域沿著車身方向拓展，以考慮臨近車廂的散射效應(yīng)默認(rèn)的剛性壁面，模擬地面反射作用無限元中心位于地面，考慮到外部地面的反射效應(yīng)車身振動作為鼓勵分析步驟2–

聲輻射載荷工況1:車窗下方地板施加點(diǎn)力載荷123128布置兩組遠(yuǎn)場場點(diǎn)128100Hz,innerarcdirectivity,(dB)Transferfunction(dB)500Hz,innerarcdirectivity,(dB)Transferfunction(dB)500Hz,outerarcdirectivity,(dB)Transferfunction(dB)分析步驟2–

聲輻射載荷工況1:車窗下方地板施加點(diǎn)力載荷

200Hz,SPL(dB)200Hz,SPL(dB)500Hz,SPL(dB)500Hz,SPL(dB)500Hz,SPL(dB)計算統(tǒng)計分析步驟1,振動聲學(xué)計算內(nèi)存=1200MBCPU=4CPULinux64bits電腦，2分鐘/分析頻率100個頻率

3小時20分鐘

分析步驟2,聲輻射內(nèi)存=680MBCPU=4CPULinux64bits電腦，20秒/分析頻率100個頻率

30分鐘

備注