摘要：利用OLE Automation 对LMS Virtual.Lab 进行二次开发，开发出一款集快捷三维CAD 建模、有限元网格智能划分、边界条件自动识别以及计算结果可视化处理为一体的消声器有限元分析系统，实现了消声器传声损失分析的全程自动化。并将该系统应用于消声器的实际开发，结果表明该系统的计算精度较高并大幅提高了消声器的分析效率，具有良好的工程适用性，对于降低工程试验成本具有重要意义。
关键词： Virtual.Lab 消声器 有限元 自动化 二次开发
1.引言
在汽车排气消声器设计或改进过程中，迅速的预测目标消声器的传声损失(Sound Transmission Loss)，能够为进一步的分析设计提供可靠的依据、指导，因此对提高消声器设计水平具有重要的意义。目前常用的消声器的声学性能分析手段主要有一维声传递矩阵法[1, 2]、三维有限元法[3, 4]、三维边界元法[5, 6]和一维有限体积法[7, 8]等。由于一维声传递矩阵法由于分析精度不佳，且数学推导较为复杂，目前应用较少。有限元和边界元法与现有一维有限体积法分析软件(例如Gamma Technology GT-Power，Ricardo Wave 等)相比,虽然在分析精度方面有优势，但由于有限元或边界元法需要三维CAD 建模、划分有限元/边界元网格、设置分析边界条件、提取计算结果等繁琐步骤，不但操作不便、而且分析时间过长，因此没有在企业开发消声器过程中得到大量应用。
因此开发一套具有快速参数化建模、自动网格划分、自动设置边界条件、自动提取计算结果等功能的自动化、高效率的基于有限元或边界元的消声器设计分析系统，对于提高企业、研究机构在消声器声学分析上的效率和正确性，具有极大的意义。
本文针对现有分析过程的不足，并结合消声器的特点和企业实际需求，基于LMS Virtual.Lab（版本9a）的有限元分析功能，开发出自动化、高效的消声器设计分析系统，并将该系统应用于消声器开发和改进中，取得了较好的效果。
2. 关键技术研究
2.1 消声器快速参数化建模技术
消声器的内部结构复杂，既有由隔板分割的各个腔体，又有各种穿孔和管道。目前的方法是利用三维CAD 软件（如UG、CATIA 等）进行建模从而建立分析对象，而随着分析的深入，需要经常调整模型的结构和各种参数。这样不但费时费力，且容易出现设计错误甚至干涉。因此需要根据消声器模型的特点，将消声器进行抽象，并利用3D 可视化技术实现消声器的快速建模。
本文将消声器抽象为腔体截面、腔体、隔板、直管、弯管、穿孔（板）、穿孔（管）、吸声材料等部件，进一步定义这些部件的各项属性，便可将消声器抽象为如图 1 所示的抽象模型。
图1 消声器的抽象模型
为了使建模操作者更加直观、方便的建立消声器模型，并结合使用习惯，需要将模型的三向示意图和三维模型实时显示出来。DirectX 是Windows 平台下的标准3D 显示接口，与OpenGL 相比，在Windows平台下DirectX 不但执行效率更高，而且减少了对第三方程序的依赖[9]。本文利用Microsoft DirectX 9.0c图形API 实现了消声器3D 模型的高效显示，并设计了简捷的模型方法，方便用户在最短的时间内完成消声器抽象模型的建立。
当抽象模型建立完成后，我们可以通过逻辑模型中的设计参数，自动建立有限元分析需要的流体模型，即由消声器腔体所包围，隔板、管道所分割的腔体。为保证空气模型能真实反映消声器内部管道结构，合理定义建模顺序是非常有必要的，如果建模顺序不合理，前面建立的结构模型容易被后建的结构替代或影响，从而使实体模型与用户的设计目标不一致。经过总结和验证，如图 2 所示的建模顺序(按箭头所示方向)较为合理，能保证逻辑模型和物理模型的统一。
图 2 消声器流体模型建模顺序
2.3 消声器快速分析技术
OLE Automation（简称Automation）是Windows 应用程序之间相互操纵的一种技术。它使用了Microsoft的COM（Component Object Model）技术，为软件创建一个标准的接口，让其它的应用程序通过Automation的机制，以对象的方式来调用这个软件的功能。
图 3 LMS Virtual.Lab Automation 对象集
LMS Virtual.Lab 是声学分析的常用有限元分析软件，支持利用Automation 进行二次开发。图 3 为LMSVirtual.Lab Automation 对象集。下面简要介绍利用Automation 操作LMS Virtual.Lab 实现消声器传声损失分析的过程。首先启动LMS Virtual.Lab 应用程序；再取得程序的Application 对象并利用该对象Document中的Open 方法打开已定义流体材料、进出口边界、结果提取点、分析实例等的消声器传声损失分析模板文件；然后导入已建好的消声器流体模型(CATIA V5 Geometry)，之后加入将模型利用HMesher 设置网格参数并划分网格，并按图 4 所示组成获取得到分析设置对象AnalysisSet，获取消声器进出口面对象LMSPlaneGroup、结果提取节点对象PIOSingleNode、吸声材料对象、流体材料参数对象、分析实例对象并修改相关参数。
图 4 分析设置对象AnalysisSet 的获取流程
之后通过Update 方法分析实例对象实现传声损失的分析计算。计算完毕后通过ExportToFile 方法将传声损失结果导出并图形化显示。全部流程如图 5 所示。
图5 LMS Virtual.Lab 消声器传声损失分析流程
3.系统实现和应用
3.1 系统实现
基于上述关键技术,利用C#语言、Microsoft Direct X9.0c 作为3D API、Microsoft Access 作为数据库，并结合评价方法、优化方法的研究，开发了名为ES2 的汽车排气消声器设计分析系统。图 6、图 7、图 8为该程序的主要界面。ES2 程序实现了消声器参数化建模，将现有手工利用通用三维CAD 软件建模方法的时间从40 分钟缩短为2 分钟。同时ES2 程序还实现了包含网格划分、定义各种边界条件、提取结果等操作的消声器传声损失分析全自动化、全程无需人工干预。
图 8 ES2 程序消声器传声损失分析结果界面
3.2 系统应用案例
在对某企业SUV 消声器进行改进设计中，通过实验分析原消声器传声损失，发现原该消声器在低频尤其是基频 (100～400Hz)附近消声量小.此外,中高频(1000～2 000 Hz)的消声量也不理想，针对这些不足，在外形尺寸和进出口不变的条件下改进了消声器，并利用ES2 程序对改进方案进行分析和优化，在一台普通个人微型计算机上对该消声器进行建模和仿真分析的时间约为30 分钟。
图 9 改进消声器传声损失分析与试验结果对比
图 9 为改进消声器传声损失分析与试验结果对比，试验结果测得的结果与仿真计算的结果在整个频段都吻合的很好，说明本系统得到的消声器声学特性是比较可信的。图 10 为改进前后的消声器传声损失试验结果对比，改进消声器在大部分频段内得到较大提高。
图 10 原始与改进消声器传声损失试验结果对比
将改进的消声器按照 GB/T14365-1993 标准[10]进行定置噪声测试，结果如图 11、图 12。尾管噪声在整个转速范围内减低了3～5dB(A)，怠速尾管噪声从60.5dB(A)下降到55.1dB(A)，达到了主机厂设定的目标。
图 11 定置尾管噪声测试结果
图 12 定置怠速尾管噪声测试结果
4.结论
本文以实现汽车排气消声器性能分析自动化、高效为目的，针对现有常规手段的不足。将消声器进行分解和抽象，分析了消声器流体模型建立顺序的，并利用Microsoft DirectX 为3D API，实现了消声器模型的参数化建模；利用OLE Automation 对LMS Virtual.Lab 进行二次开发，实现了消声器传声损失分析的全过程自动化、无需人工干预。应用这些研究开发的“汽车排气消声器设计分析系统”。通过企业实际开发应用，表明其在分析精度和速度上较常规手段有较大提升，对于支撑汽车排气消声器、减少工程试验成本上有重要作用。
汽车排气消声器的设计分析与其他噪声振动分析具有大量共性需求，因此可供这些分析系统的开发参考借鉴。
参考文献
[1] Munjal M L, Behera B K, Thawani P T. Transfer Matrix Model for the Reverse-flow, three-duct, Open End Perforated Element Muffler[J]. Applied Acoustics. 1998, 54(3): 229-238.
[2] 蔡超，宫镇，赵剑，等. 拖拉机抗性消声器声学子结构声传递矩阵研究[J]. 农业机械学报. 1994(02).
[3] 罗虹，王伟戈，邓兆祥，等. 汽车排气消声器内部流场和声场数值分析[J]. 重庆大学学报(自然科学版)FIVE. 2006(08).
[4] 董红亮，邓兆祥，来飞. 考虑温度影响的消声器声学性能分析及改进[J]. 振动工程学报. 2009(01).
[5] Lee I J, Selamet A, Huff N T, et al. Design of a Hybrid Exhaust Silencing System for a Production Engine[Z]. SAE Papers, 2005.
[6] 袁兆成，丁万龙，方华，等. 排气消声器的边界元仿真设计方法[J]. 吉林大学学报(工学版). 2004(03).
[7] Millo F, Badami M, Longhini F, et al. Optimization of a Variable Geometry Exhaust System through Design of Experiment. SAE Papers 2008-01-0675.
[8] 颜伏伍，杨伦，刘志恩，等. GT-Power软件的微型车消声器设计与优化[J]. 内燃机工程. 2010(02).
[9] 柯君，邓兆祥，李沛然. 基于DirectX的模态试验数据显示控件设计[J]. 机械设计与制造. 2010(01).
[10] 声学机动车辆定置噪声测量方法[S]. 1993.
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