对汽车内声场进行模拟的集成解决方案 - 文章

对汽车内声场进行模拟的集成解决方案

作者：

欢迎访问e展厅
展厅 2	CAE/模拟仿真展厅通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ...

任何内声场仿真的首要目的是确定汽车内部的声压级（SPL），判断其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。

第一种方案为标准型解决方案。通过给出车内声压级清晰的指标，让用户判断是否满足设计目标，该方案同时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，使用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。

第三种方案也称“补充解决方案”，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地定义。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。

基于直接耦合法的声压级分析

直接耦合是一种快速简易的方法，可以使用目前市场上任何一款Nastran求解器求解，各个步骤如图1所示。

newmaker.com
图1 求解步骤

模型设定所需的时间很短，大约只需20min，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。

1．结构网格

结构网格的细节是由用户感兴趣的频率范围所决定的。如果用户只对低频感兴趣，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。

2．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。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用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（见图2）。

newmaker.com
图2 包括座椅的实体有限元腔体网格

3．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，哪一部分是声腔网格，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（见图3）。

newmaker.com
图3 使用网格映射工具将三种网格连接起来

4．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”，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”之内的“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4个节点和10mm，一般情况下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。

5．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即可。载荷可以是直接测试的数据或来自于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里给结构施加载荷非常灵活自如。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。

用声学传递向量技术（ATV）的设计迭代

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，仿真过程见图4。

newmaker.com
图4 仿真过程

该方案总的准备时间比第一种方案稍长，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，对于多工况运算，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。在准备过程中工程师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。

1．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以及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）。

2．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可得到振动结果。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。

3．数据传递分析

数据传递分析是仿真分析准备中关键的一步，这一步要求用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。

4．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。一般情况下，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。更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（见图5）。

newmaker.com
图5 切割网格展示了车内黄色区域场点网格

5．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会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。根据用户的要求，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。

通过公式可得：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：

newmaker.com

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：

newmaker.com

结构位移可以写成：

newmaker.com

联立方程，得：

newmaker.com

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：

newmaker.com

模态声学传递向量定义如下：

newmaker.com

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声压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。整个过程如图6和图7所示。

newmaker.com
图6 ATV方法

newmaker.com
图7 MATV方法

这个过程有一个极大的优点，就是在其中可以保存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地修改，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。

基于模态耦合的快速多层吸声材料的模拟

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。这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的时间可以大大减少——从40min/频率到40s/频率。

仿真过程如下：

newmaker.com
图8 仿真过程

1．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的需要。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，然后用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。

2．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高。如果用Biot分析方法—基于三实体有限元法，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被接受的。

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传递导纳的技术，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的耦合非常好。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。

结语

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。

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。这是一个方便且易于管理的过程。

文章内容仅供参考 (投稿) (10/10/2009)


您的位置：首页 > CAD/CAM/PDM/PLM展区 > CAE/模拟仿真展厅 > 产品库 > 声学模拟分析软件 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录