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在中低频域范围内对内声场进行模拟的集成解决方案

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前言

任何内声场仿真的目的是确定汽车内部的声压级（SPL），判断是否能满足设计规范的要求。另一目的是通过对车内声场的仿真分析，发现问题的根源，进而更改设计参数，最终达到优化设计的目标。

根据客户的实际应用要求，LMS Virtual.Lab提供了三种内声场仿真方案。第一种方案，标准型解决方案。通过给出车内声压级清晰的指标，让客户判断是否满足设计目标，同时该方案也能提供车体上不同辐射面板的贡献量。

第二种方案也称增值方案。拥有更多的细节分析能力，能提供更为详细的信息，使客户能够更精确地发现存在问题的区域，并更有效地进行微调设计。该方案是利用基于声学传递向量（ATVs）的声学边界元法或声学有限元法来完成上述任务的。

第三种方案也称补充解决方案。它是一种更先进的声学仿真方案。在该方案中，多层吸声材料可以更精确的定义。随着计算频率范围的增加，精确模拟多层吸声材料更为重要。与Biot分析方法相比，更显出了它的优越性。因为3D实体有限元单元将把成千上万的自由度添加到分析计算中。LMS Virtual.Lab利用多层吸声材料的快速子结构技术不会把额外的自由度添加到计算模型中。对附于基础结构上的多层吸声材料性能仿真几乎不必花费额外的代价。

在LMS Virtual.Lab中集成了所有的分析类型，使工程师可以快速准确地判断内声场的声压级，更为重要的是能提供有价值的信息，对噪声源、主要结构的噪声贡献量、振动传递路径有更深入的了解。另外还能评估不同的设计方案，提出正确及时的建议。

第一种方案：基于直接耦合法的声压级分析方案

该方案是一种快速简易的方法，用Nastran求解器求解。可以使用目前市场上任何一款Nastran求解器。为了更好地理解该过程，各个步骤展示如下：

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模型设定所需的时间很短，大约只需20分钟。这主要得益于整个装配过程的自动化。该过程可以直接耦合不兼容的声学和结构两种网格，所以可以直接使用集成于Nastran求解器中的振动噪声解决方案。

结构网格

结构网格的细节是由客户感兴趣的频率范围所决定的。如果只对低频感兴趣，例如低于100Hz,那么就不需要模拟内部装饰面板的全部细节，用一个集中质量代替就足够了。

声腔网格

为了分析内部噪声，车内声腔需要定义和划分网格。对任何有限元分析，建立正确和真实的模型都很重要。内部划分网格，结构振动才能通过声腔网格的外层传递到声腔内部。

LMS Virtual.Lab提供了方便的工具，可以直接从结构模型生成声腔网格，并确保两种网格紧密相邻。在自动产生高质量的网格之前，需要检查和修补声腔上的孔。对自动化程度水平的要求由客户自己决定。用户可以根据需要灵活地将整个或部分腔体化为网格。网格生成算法可以处理尖角和圆滑特征、座椅和脚踏，并可以自动检测声腔外层上的网格。这些方便的工具可以使客户在几小时内生成精确和有效的网格。

内部组件的特征是随频率变化的，这些内部组件的模拟可有多种方法。如座椅可以用3D单元来模拟所占的空间的吸声特性，也可以用2D单元来模拟表面的吸声特性，其中的区别是3D单元会影响模态，而座椅表面的2D单元被作为刚性墙处理。如图1所示。

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图1 包括座椅的实体有限元腔体网格

结构—声学装配

当完成对结构和声腔的网格划分后，接下来需要区分哪一部分是结构网格，那一部分是声腔网格，这可以通过对材料特征的定义加以区别，例如定义声腔材料的空气属性。接下来需要定义两种网格的连接关系。如果结构网格和声腔网格不兼容，这时就需要一种网格映射工具。如图2所示。

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图2 使用网格映射工具将3种网格连接起来

网格映射

网格映射是处理不兼容的结构网格和声学网格连接的自动过程。运用该方法时可以灵活修改网格映射操作过程中的任何一个参数。通过修改参数操作的可以更好地理解操作过程。在Virtual.Lab starts 里，该方法可以自动创建主要声腔的外层，并且使声腔外层上的指定节点与结构网格上的“X”个节点连接。软件提供了完整的预置参数。也可以通过设定搜索距离“Y”mm，程序将自动生成关于声腔外层上的这个指定节点与结构网格上在搜索距离“Y”mm内的“X”个节点之间的网格映射矩阵。与这个声学节点连接的结构上的所有节点称为湿面节点。Virtual.Lab预定义里设置了四个节点和10mm，一般这足以创建良好的耦合关系。Virtual.Lab里还可以生成结构和声腔外层网格节点间最大与最小距离的图示。

Nastran强迫响应分析

使用Nastran，客户可以进行耦合模态（Nastran 103）计算，也可以进行强迫响应计算。当在Nastran进行强迫响应计算时，在Virtual.Lab里必须定义为声振耦合分析。如果已经定义了声学和结构网格，软件会自动处理两者间的链接关系。客户只需要定义输入载荷和结果输出的点。载荷可以是直接测试的数据或来自excel表。可以通过节点号或节点坐标（在搜索容差范围内最近的点）确定施加载荷的点。在Virtual.Lab里给结构施加载荷是非常灵活自如的。另外还需要确定Nastran结果输出形式，在Virtual.Lab里支持NASTRAN SOL 103,107等。

第二种方案：用声学传递向量技术（ATV）的设计迭代方案

该方案能使工程师发现问题，细化、改进结构设计，可对分析结果做更多细节分析。该方案能提供大量的分析数据，可用于快速有效地重新计算，实现优化设计。该方案用FE求解器计算结构模态，利用Sysnoise求解器计算内部辐射声场。仿真过程如下：

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该方案总的准备时间比第一种方案时间稍长，但计算时间比第一种方案要少得多，因为可以选用子结构技术计算结构的模态，例如AMLS。对多工况运算，时间可以更快。如果利用LMS Virtual.Lab预定义模版，准备时间可以更短。在准备过程中也会用到网格映射工具，将两种不兼容的网格连接到一起，以完成数据传递分析。

结构模态

结构模态可以利用任何一款主流有限元程序包计算，如Nastran，Ansys，Abquas等。LMS Virtual.Lab可以直接读取客户使用的有限元程序的结果文件，读入结果后还可以对模态施加粘性阻尼。另外LMS Virtual.Lab能缩减有限元结果文件的规模。LMS Virtual.Lab利用网格映射技术快速有效地定义湿面，做声学分析时只需该表面上的有限元结果数据。因此有限元结果的文件规模可以大大缩减（如从几个GB到100MB）.

基于模态的强迫响应分析

在这个过程中，通过强迫响应求解器，得到振动结果，振动结果可以是模态参与因子的形式，也可以是面板的实际振动。面板振动方法可以用于面板贡献量分析。强迫响应分析要求定义输入和输出点。一旦定义了输入点就可以施加结构载荷。结构载荷可以是测试数据，也可由CAE分析得出。

数据传递分析

数据传递分析是仿真分析准备中的关键一步。这一步要求客户将结构模态映射到声腔网格上。软件首先利用Mesh Mapping （网格映射）工具建立起结构网格和声学网格的连接关系，然后选择结构模态投影到声学网格上，之后就可以在声学网格上得到缩减的结构模态。这些模态用在MATVs响应分析中。

场点网格生成

将场点网格定义在要查看结果的位置上，能够减少结果数据总量。一般地，整个有限元声腔网格上都会产生结果数据，存储这些结果数据需要花费很多时间。一种很好的方法是在要查看结果的位置上定义少量的网格，像司机和乘客的耳朵处。生成声学传递向量（ATVs）也需要用到场点网格。如图3所示。

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图3 切割网格展示了车内黄色区域场点网格

ATV数据库——MATV响应分析

传统的边界元和有限元法将结构的振动直接定义为边界条件，计算声场辐射。该方法的缺点是边界条件随工况的改变而改变，每种载荷条件都需要进行不同的求解。LMS Virtual.Lab利用声学传递向量技术（ATV），ATVs建立起辐射表面结构振动的速度与输出场点声压级间的传递函数，ATVs取决于几何结构、声域内的介质特性、声学表面特性（阻抗和导纳）、频率和场点位置。AT和载荷无关，这意味着ATVs技术特别适合于多工况强迫响应分析和结构优化。该技术在载荷和设计参数变化的仿真中显示出巨大的优越性，因为不需要重新计算。根据客户的要求，可以将ATVs技术运用到边界元网格或有限元网格上。有限元网格能在更多3D的细节上模拟吸声材料，边界元只考虑了表面的阻抗。

通过下面的公式我们得到：

【声压】=【声学传递矩阵】*【表面速度】

表面速度是结构表面的法向速度，因为只有法向速度才能产生声波，因此公式又可写成：

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因此声学传递向量就是关于网格表面法向振动与单个麦克风位置处声压间的传递函数。描述如下：

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{velocity boundary condition}-[modes].{modal participation factors}

又结构位移可以写成：

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联立方程，得

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如果要得到结构模态响应向量和麦克风处（场点）声压的直接关系，用：

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模态声学传递向量定义如下：

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模态声学传递函数是关于单个结构模态对单个麦克风位置处的声压的贡献的传递函数的组合。

与ATVs相比MATVs不能从声学参数计算中得到，还需要掌握振动结构的动力学行为，特别是结构模态。整个过程展示如图4和图5所示：

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图4 ATV方法

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图5 MATV方法

这个过程有一个极大的优点，就是在这个过程中可以保存ATV数据库，并能重新使用，只要不对声学模型做任何改动。结构模型可以被一定程度的修改，在修改后，只需简单地运算数据传递分析案例，重新计算声学响应，这只是个简单的乘法运算。

第三种方案：基于模态耦合的快速多层吸声材料的模拟(Fast Trim)

该方案利用Sysnoise求解器，通过耦合方法计算声场压力。用波缩减技术将结构模态和声学模态耦合到一起，可用来模拟连接装饰面板的属性。同时该方案吸收了网格缩减技术以减少计算时间并能保证计算精度。它是一种完整的有限元方法同时吸取多层吸声材料的模拟技术（该技术基于波缩减）的优点。使用该方案完成一个完整汽车模型计算时间的可以大大减少，从40分钟/频率到40秒/频率。仿真过程如下：

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模态缩减

该方法的主要目的是建立不兼容网格的耦合关系，同时保证计算精度。利用该技术的原因是声振全耦合仿真。这似乎是很困难的事情，但在LMS Virtual.Lab里，利用网格缩减技术做起来非常简单。在软件里提取声腔的外层网格，用它作为结构缩减网格的主体。然后客户需要做的是定义输入输出点的位置，利用网格映射工具将结构模态映射到新的缩减网格上。缩减网格和声腔网格在湿面即具有完全有一致的节点。LMS Virtual.Lab可以进一步处理全部使用完全相同网格可能产生的节点编号问题。

装饰面板属性定义

随着分析结果频率的增加，精确模拟装饰面板的重要性也越大。如果用Biot分析方法—基于3实体有限元法，将会增加成千上万个自由度，计算代价非常昂贵，从实用观点来看这是不能接受的。

LMS Virtual.Lab快速内饰模块可以考虑应用到基本结构上的多层材料的声学性能，这是因为利用了基于wave-reacting传递导纳技术，该技术描述了多层材料（例如，结构基面和声腔）两边压力和速度之间的关系。传递导纳系数由传递矩阵决定。在内饰作用尤为重要的高频阶段，计算结果与测试数据耦合地非常好。在使用装饰面板属性的情况下，不需要再定义湿面。湿面是将声腔和结构网格联系到一起的表面，通常是声腔的外表面。

从声学仿真中创造工程洞察力

后处理——数据可视化

标准的后处理可以动画形式查看结构的模态，同时列出模态特性，让客户更好地理解模态行为。声学模态和声学频响函数的可视化使出现问题的频率更容易被发现。

面板声学贡献量分析

可以用一系列面板定义辐射表面的不同结构特征，根据一系列的定义准则，像特征角、位置或材料特性，这些面板很容易被定义。

该分析可以使客户确定各个面板的贡献量，从而判断实际结构部分那个贡献量最大。

节点贡献量

LMS Virtual.Lab高级方案为后处理提供了更多的细节，可以进行“热点”探测，像声音辐射高的位置，这些地方需要特别注意，或修改这些地方效果更明显。

模态声学贡献量分析

当评估不同结构模型对总声压级的影响时，只用模态参与因子是不充分的。对总噪声水平的贡献量是模态参与因子、振动水平和辐射因子共同作用的结果。对一个规定的场点，方案能提供一个专业的观点：在响应高的频率范围内，可以评估不同结构模型的贡献量

理解关键的结构模型至关重要；对车辆结构行为深刻地了解，可以提出最有效的解决方案。模态声学贡献量分析这种独特工具的运用实际缘于大量的结构模型和更高的模态带宽。

路径贡献量分析

噪声辐射大不但和载荷大（振动）有关，而且和易于传递噪声的路径有关，因此明确除了明确面板声学贡献量外，还要确定噪声源传递噪声的关键路径，它可以提供重要的信息：只有了解噪声水平和传递路径，才能更有效地优化设计方案。

细化与优化

无论与目标水平相比是否存在明显的问题，或是优化目的是否为了改进设计，最终的目标是利用分析数据完成设计循环。这些可以分阶段完成，不断增加对分析数据、网格或结构模态修改程度。

快速修改预测

对分析数据进行修改是设计过程中重要的环节，该环节就是不断发现问题和解决问题，如车辆设计完成后，做一些小的修改是必要的，这时就需要用到该环节。快速修改预测允许客户通过在结构的关键位置上更改物理特性，如增加集中质量、刚度、阻尼等，调整结构模态行为。在Virtual.Lab的集成解决方案里，可以完成对分析数据的修改，并重新运算分析结果，进而判断修改效果。通过图形显示修改的位置和图形显示修改“前后”响应函数的对比，能提供给客户所需要的信息。这是一个快速有效的方法用来评估修改结果，且不需要利用有限元求解器对模态重新计算。该方法是第二种方案的一个组成部分。

网格修改

更重要的修改可以运用到结构的原始有限元网格上。修改网格可以修改已存在网格的特性，这可以通过调整物理方面的性质：像厚度、材料性质、梁刚度实现。也可以通过增加单元，改变形状等来改变网格的种类。

对这两种进行网格修改的情况都需要重新运行有限元求解器，但LMS Virtual.Lab提供了运行外部程序的驱动，客户不需要离开它的集成环境。对网格的修改过程包含在整个分析过程里。

WBS技术 (Wave Based Substructuring)

当完成了一个完整的声学分析后，可以用缩减技术（又称Wave Based Substructuring）对结构上的特殊部件进行细化改进。WBS提供一个特别快速的方法用于优化设计。因为该技术可以显著减少交接面上的自由度数目，因此可以进行快速预测。

该技术可以用于很多方面的优化，如筋的刚度、粘合、焊接、密封等感兴趣的方面。

作为一个对比，一个没有用到WBS技术的分析计算到200Hz，需要19小时，而一个WBS分析大概只需20分钟。当分析的频率增加时，该技术更显重要。

最优化

在今天竞争激烈的环境中，优化设计已接近设计的极限。LMS Virtual.Lab Optimization包集成了强大的功能、工具和技术，可以使工程师快速查看所有可能的优化设计方案，以满足设计要求。所有功能都集成在一个模块里，在该模块里允许用户规定设计目标、设定设计参数和参数变化范围，自动控制和监视优化过程。

试验设计（DOE）技术可以运用到虚拟设计中，可以用RSM技术查看结果，可以更深入了解设计参数。

一旦最优化设计完成，审查优化设计的健壮性很重要，这缘于设计参数的容差，设计参数的分布范围比单个确定的值更需仔细考虑。设计变量在最优值附近变动时，被认为满足设计健壮性、可靠性和品质准则。

总结

LMS Virtual.Lab 内声场模块能满足工程师进行声振设计的一切要求。标准方案在熟悉的有限元环境里操作，可以简单方便地管理分析过程，并直接产生信息用于判断是否满足目标。

对于基于声振准则进行改进和优化设计的工程师。第二、三种方案能满足对数据分析的全部要求，加上快速有效的技术和方案来调整设计参数，精确评估设计变更。相对传统的Biot方法，装饰面板模拟技术提供了一个快速方案供选择，它可以减少计算时间，并保证计算精度。

LMS Virtual.Lab的集成环境提供了一个快速有效的数据和进程管理方法。不同来源的数据、网格、载荷函数和设计参数都可以集成在同一个分析中。可以在树状结构中查看每个步骤，树状结构用来定义和控制整个过程，包括执行外部程序、输入数据、分析条件和结果，这是一个方便易于管理的过程。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/10/2009)


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