MSC产品和服务速查手册V3.1-Actran产品和案例李保国.docx

MSC Software汽车产品和服务速查手册文档说明内容摘要：本手册为MSC公司为汽车行业提供的一站式CAE解决方案。从而帮助企业：1) 建立和贯彻统一的、优化过的产品虚拟研发流程，提升研发效率2) 培训和应用CAE软件仿真，有效提升产品开发效率，降低样品制造成本3) 建立企业产品性能数据库，积累企业工程知识与运营效率4) 建立良好的变更通知机制，减少设计返工和降低废品几率以实现：1) 有效降低产品开发成本，提升产品的净利润率2) 大幅度降低产品的研发周期，增加企业的核心竞争力3) 应用现代化的验证手段，降低产品的试制成本，提升员工效率，承接更多订单4) 改善客户响应速度，并提高客户满意度目录文档说明21产品篇41.11 Actran简介41.11.1 振动噪声前后处理工具包-Actran/VI41.11.2 声学仿真工具包 Actran-Acoustic61.11.3 结构振动-声学分析软件包-Actran-Acoustic71.11.4 内饰件噪声分析软件包-Actran fo Nastran81.11.5 气动噪声分析软件包-Actran/Aero-Acoustic91.11.6 HPC软件包-Actran/DMP101.12 Actran汽车应用案例101.12.1 沃尔沃发动机动力系统声学开发101.12.2 博格华纳齿轮箱NVH开发141.12.3 天纳克（Tenneco）排气系统开发161.12.4 Plastic Ommium车身内饰设计191.12.5 气动-结构噪声耦合仿真分析201.12.6 基于Actran-Nastran声学包优化设计221产品篇1.11 Actran简介Actran是由比利时FFT（Free Field Technologies）公司的Dr.Jean-Pierre Coyette、Dr.Jean-Louis Migeot创建，作为公司的旗舰产品，在全球拥有广泛的用户，现在Actran已是MSC的产品之一。早在十多年前FFT就认识到有限元技术和无限元技术在计算声学领域具有广阔的前景，因此公司在成立之初就专注于基于有限元和无限元技术的计算声学软件的开发，今天当其他的计算声学软件供应商也认识到有限元和无限元技术在计算声学中的领先地位时，FFT公司已经在这个领域辛勤耕耘了十多年，且早已奠定了Actran在计算声学领域的领跑者地位。Actran产品不断融合新技术，目前14版本，间断有限元（DGM）、完美匹配层（PML和APML）等多种数值方法，这些数值方法的综合应用保证解决客户问题。Actran软件供有8个模块，具体架构见下图，分析领域涵盖声学、振动声学、气动声学领域，其中TM、DGM是叶轮机械和航空涡扇发动机专用模块。在车辆行业，主要用到其它6个模块。1.11.1 振动噪声前后处理工具包-Actran/VIActran VI是专业的声学前后处理软件，它可以完成分析任务的生成、编辑等前处理任务。Actran VI除了具有云图、矢量图、形变图等通用后处理功能外，还具有瀑布图后处理能力，满足声学分析对后处理的特殊要求。Actran VI支持三分之一倍频程、倍频程、A计权、总声压级等结果的输出。1.11.2 声学仿真工具包 Actran-AcousticActran Acoustics是Actran软件系列的基础，它既可以单独使用，又是其它高级工具Actran Vibro-Acoustics 、Actran Aero-Acoustics和Actran TM配置的基础软件。Actran Acoustics模块是领先的声学模拟工具。可以在流体域中定义声源，计算声场分布，同时也可以导入结构响应结果，计算辐射噪声问题。Actran Acoustics的声学模拟能力得益FFT公司高鲁棒性、高效率的声学有限元/无限元方法、PML/APML方法以及并行求解技术。Actran Acoustics同时提供模态方法和物理方法，可以轻而易举地分析空腔中的声场。工程上使用的吸声处理可以用导纳边界条件或多孔材料模型加以详细模拟。Actran Acoustics特别适合于声辐射分析，它比边界元法快10倍以上，因而可以高效率地完成系统级的辐射噪声分析。Actran Acoustics还具有结构分析程序如Nastran、ABAQUS、ANSYS的无缝接口，实现结构分析和声学分析的无缝衔接。与此同时，Acoustics模块提供Green、Pellicular分析方法，可以快速完成多载荷工况的辐射噪声问题，并且提供结构表面单元贡献量结果，为工程师设计提供指导建议。Actran Acoustics也提供了分析管道声传播的强大功能，集成管道模态边界条件以及传递矩阵法（四端网络法），可以用来设计发动机的进气和排气系统，以及建筑物、飞机、汽车里的空调系统。对非均质流动和温度梯度效应的处理是Actran Acoustics的重要特色之一。除此之外，它还包含了处理粘热效应的特殊单元，这对声波在微通道和薄空气层中的传播特别重要，典型的应用包括助听器、声纳阵等。Actran Acoustics的典型应用 振动结构的辐射噪声：传动系、发动机部件（油底壳、进气歧管、空气滤清器、阀盖）、发动机、机油泵、压缩机、电机、扬声器等； 发动机进气系统和排气系统噪声； 预测汽车、火车、飞机乘客舱内部的声场分布； 在非均质复杂流体介质中的声传播； 听觉设备如电话、助听器及声学仪器。1.11.3 结构振动-声学分析软件包-Actran-AcousticActran Vibro-Acoustics是当今最完备的振动声学模拟软件。依赖于FFT公司长期在有限元技术领域的探索，Actran Vibro-Acoustics提供了丰富的单元库、材料库、边界条件、激励类型和求解方法，那些要求最苛刻的工程师和研究人员已经习惯于使用Actran来模拟当今最具挑战性的振动声学问题。可以利用Actran丰富的材料库直接模拟结构模型。事实上，Actran不仅提供表达声学和粘弹性介质等常规材料模型，而且还支持许多表达多种多孔材料、复合材料以及主动单元部件（如压电陶瓷）的特殊模型。Actran支持刚体单元，提供结构或流体间的刚性连接。Actran Vibro-Acoustics可以从结构有限元程序中导入模态模型，模态模型的引入将极大地缩减声振耦合问题的求解时间。除此以外，Actran还支持直接导入Nastran模型，识别单元、材料、载荷、边界条件等设置，减少工程师建模工作量。Actran Vibro-Acoustics可以在振动声学模型之上施加真实的工作条件，包括声学、运动学、动力学边界条件，以及扩散声场、湍流边界层激励等。Actran Vibro-Acoustics与Actran Aero-Acoustics相结合，可以实现对最复杂的气动、振动声学问题的综合模拟。Actran Vibro-Acoustics既可以在频域求解频率响应函数，也可以在时域求解结构的瞬态响应。高效率的线性方程求解器及并行处理能力可以帮助您在声学设计时求解工业规模的问题。Actran Vibro-Accoustics的典型应用 汽车：与传动系、进排气、乘员舱、前围板、内饰件、车窗、风挡、轮胎、音响及空调相关的噪声问题； 风窗玻璃振动对室内噪声影响 动力系统声辐射计算1.11.4 内饰件噪声分析软件包-Actran fo NastranActran Vibro-Acoustics是模拟复杂声振系统，特别是装饰部件的强大工具。内饰部件通常用具有很强吸音性能的高阻尼材料制成，因而对结构的声振特性有着重要的影响。计算这些部件需要使用Actran Vibro-Acoustics的求解技术。MSC Nastran是轻阻尼结构和声腔模态分析的首选工具。它的特色在于高效率地模态分析求解，因而它非常适合于处理汽车白车身、飞机机身、船舱结构这样的大尺度模型，但是当模型中包含阻尼或多孔材料，Nastran就难以使用模态方法分析。Actran for Nastran为CAE工程师提供了将两种最好的技术Actran的物理模型和Nastran的模态模型结合在一起的方法。Actran for Nastran使模拟包含所有装饰件的整个系统成为可能。为了兼顾精度和效率，FFT公司开发了革命性的混合方法，模态和物理方法的优势被综合起来，有效回避了各自的缺点。Actran for Nastran的功能 混合模态-物理坐标求解方法：模拟包含装饰件的整个系统，如汽车乘客舱、飞机客舱、船舱等； ACTRIM：将Actran计算得到的内饰件阻抗阵导入Nastran整车模型使用； ACLOAD：将Actran计算得到的车身外部声载荷导入Nastran整车模型使用； 超单元：可以将Nastran结构模态导入，作为部件声学分析时的边界条件使用。整车NVH分析典型应用流程1.11.5 气动噪声分析软件包-Actran/Aero-AcousticActran/Aero-Acoustic精确考虑流体动力声源的复杂边界条件，即可以求解外声场（机翼后缘噪声，侧镜噪声，起落架噪声），也可以求解内部声场（HVIC内部噪声，管道内流动噪声）。Actran/Aero-Acoustic可以处理低马赫数的鼓风机和轴流风扇，是唯一能精确预测宽带、近场和远场管道风扇的软件。Actran Aero-Acoustics是预测流动噪声的声学有限元软件，具备以下独特优势： 与CFD软件的兼容性：可以直接导入FLUENT、STAR-CD、STAR-CCM+的结果文件，CFX、Powerflow等软件结果可以转换成Ensight的格式导入； 提供Lighthill与Morhing两种声类比方法：Morhing声类比方法是用于模拟高马赫数流动噪声的问题以及汽车发动机排气系统非均质流产生的噪声； 基于有限元的求解方法：可以在计算域中定义任何边界，模拟声反射、声透射现象； 1.11.6 HPC软件包-Actran/DMPActran可以实行不同形式并行计算方法（频域并行、计算域并行，矩阵并行等）。1.12 Actran汽车应用案例1.12.1 沃尔沃发动机动力系统声学开发汽车发动机和动力总成是重要噪声源。对于振动结构的辐射噪声，Actran利用有限元与无限元技术或PML、APML计算，计算速度比传统边界元法提高5100倍。在振动辐射噪声模拟中，首先利用结构分析软件进行谐响应分析。Actran可以直接导入振动结果，计算辐射声场。利用无限元技术可以自动根据ISO标准获得声功率级。动力系统NVH问题主要有以下几类：下图为动力系统典型的NVH开发流程，发动机声学分析流程典型动力系统开发流程如下图1-1示，在Volvo重型车辆动力系统开发中，采用MSC系列产品做为其NVH开发工具。分析流程如下：首先进行Adams软件完成动力系统受力分析，得到不同转速下动力学各个位置的载荷，该动力学模型中包含配气机构、曲柄连杆机构、详细的齿轮箱内部机构等。第二步，利用多体动力学分析得到的结果，施加在Msc.Nastran模型上，完成频响分析性计算，得到发动机表面振动速度。针对大规模模型，例如自由度规模在1000万以上，Msc.Nastran的自动部件模态综合（ACMS）可以在极短时间完成频响分析计算。第三步，将Nastran计算结果导入Actran中完成发动机声学辐射计算，为识别声学辐射关键区域，根据企业经验对动力系统划分不同区域，利用Actran面板贡献率分析功能对不同区域声辐射贡献率进行排序，确定重点改进区域；同时，在分析中开发空间中，采用直接法计算时间过长问题，利用Actran中的Green方法完成了快速、高效多转速分析，使用瀑布图进行声学结果处理。根据声学分析结果进行齿轮微观修型、壳体壁厚、加强筋优化等。试验结果显示：Actran计算结果与试验结果相关性很好。其流程开发流程如下。Volvo发动机声学辐射计算流程Volvo发动机声学辐射有限元模型利用Actran进行面板贡献量分析利用Actran分析的频率1500Hz时的压力云图利用Actran的Green分析功能进行多转速工况分析针对上述基于MSC Actran的仿真结果，Volove用户评价为：The overall sound power level from 1000 to 1900 rpm full load is predicted within 2 dB compared to the measurements. The 3rd octave band average is also predicted within 2 dB from 250 Hz up to 2000 Hz and for all regimes (although only three are shown here). Given the uncertainties on the measured data, this is considered to be excellent. The methodology is considered to be validated. (从1000转到1900转的总体声压级的仿真结果与试验结果对比误差在2dB之内，在250Hz至2000Hz范围内的1/3倍频及其它倍频的平均值误差也是2dB之内，此处仅示1/3倍频结果，考虑实验数据的不确定性，这个仿真结果是非常出色的，这个方法是完成可行的。)利用Actran 瀑布图与实验数据对比发动机设计中，其他典型分析工况如下：气缸盖刚度、模态、声分析；油底壳刚度、模态、噪声分析等。通过深入分析此应用，用户认为： 此方案最关键的优点是，通过与试验对比已经证明，此方法具有极高的准确度，这种技术可以更系统地应用于动力传动系统的虚拟样机分析，以便在投入制造前对其进行充分优化。 此方案的第二个优点是，此仿真流程的绝大多数步骤可以实现自动化操作，使得人工介入成份减至最小，从而实现成本、重量及声学等关键因素的权衡与优化流程。1.12.2 博格华纳齿轮箱NVH开发博格华纳前期采用边界元方法开展齿轮箱声辐射计算和产品改进，因为，边界元法计算时间过长，无法满足产品开发周期。后转向利用Actran的声学、振动分析模块进行齿轮箱结构声辐射计算与优化设计。Acran软件仿真结果可以模拟齿轮箱的结构变化，例如外壳及其内部支架的几何形状变化、筋和槽的更改等引起的声学改变，与试验结果对比良好的精确度，为工程师评估、预测结构对声学性能的影响提供了良好的设计依据。利用Actran 分析齿轮声学性能利用Actran 分析隔声部件对齿轮箱辐射结果的影响利用Actran 分析齿轮箱结果与BEM方法（边界元）分析结果对比为了分析计算结果的准确性和与其它软件产品结果进行对比，Borgwaner技术人员将MSC Actran的结果与其它基于边界元方法的整个计算结果进行了对比，结论如下：在保证两种计算方法的结果一致的情况下，基于边界元方法的软件计算时间为1.5个小时（Xeon 64bit 机器），而MSC Actran的计算时间为8分钟（普通个人电脑）；此外增加其它载荷工况，对于计算量的增加并不会太大。用户经过分析对比后总结如下： 可以方便地直接导入Nastran 、Ansys等数据 可以方便地直接导入包括结构分析结果的数据文件 可以一次性完成多级载荷工况计算 高效的求解速度 小型问题可以直接在台式个人电脑上完成，对于大型问题可以通过频率并行计算提高计算效率，对于汽车动力系统，计算频率段可以达到3000Hz以上 三维网格生成非常方便快捷1.12.3 天纳克（Tenneco）排气系统开发天纳克排气公司主要从事排气系统的开发、生产和销售，产品包括：排气歧管，催化转换器、消声器以及领先的柴油后处理系统。在排气系统开发中，由于基于平面波假设管道声模态理论与重型卡车排气系统有一定差距，如何考虑催化剂对排气系统声学影响一直是困扰研发人员的难题（见图1-），为此，天纳克研究人员对比了不同分析软件与试验测试的结果（见下图1-），结果都不理想。天纳克催化器安装容器有限元模型在了解Actran软件在多孔介质材料性能高效、准确性后，考虑到多孔介质材料与排气系统催化剂的本构关系近似，天纳克开发人员考虑使用Actran软件中的多孔介质材料模拟排气系统催化剂对声学性能的影响。Actran/VI剖面功能，浏览内部声压分布不同软件传递损失与测试结果对比通过定义多孔介质材料属性，Actran分析的排气系统声学消声特性与试验测试结果一致性很好，对比曲线见上图1- 。在进气、排气系统设计领域，ACTRAN 能够模拟的物理现象有：基于平面波假设，管道声边界条件；同时，支持高阶或非平面波管道声模态分析；支持非匀质流体，可考虑温度、速度等影响；支持泡沫、穿孔板、多孔介质材料模拟等；声学结构全耦合计算，包含模态法和直接法；TMM 策略，整体和分块并重分析，提高分析效率；耦合1D 工具；考虑车辆联接刚度影响（刚性或振动），考虑车辆外形对排气影响等。1.12.4 Plastic Ommium车身内饰设计在汽车工业中，Plastic Omnium 是以创新著称的车身模块和燃油系统领先供应商。在设计过程初期，Actran 软件的使用对仿真轻量化的汽车零部件的声学特性至关重要，并且可以确保符合OEM所规定的声学传递损失要求。Plastic Omnium 的汽车分公司将全球领先的车身零部件及模块厂商 Plastic Omnium Auto Exterior 与全球领先的燃油系统供应商 Inergy 的汽车系统专业知识整合到一起。该公司总部位于法国 Levallois，其开发的创新解决方案可满足减轻重量、降低排放、回收利用性以及行人保护方面日益增长的需求。Plastic Omnium 的研发项目经理Philippe Gilotte，Actran软件主要使用者表示：“我们的车身零部件和模块可以帮助汽车厂商制作更清、更洁净并且更耐冲击的车辆。”该公司的工程师们所面临的挑战是:证明用塑料零部件替代钣金件不会对车身的声学隔声特性造成不利影响。OEM 厂商倾向于把具体要求的测试和验证责任转移给供应商。Philippe Gilotte 指出：“我们需要仿真面板的声音隔声特性，在不需要大量创建物理样机的前提下，更深入地了解其物理特性。Actran软件的声学和振动声学模块提供了一整套完整的工具，可以快速进行此类分析，能让我们在过程初期优化并验证设计模型。”FFT 全球营销主管 Alain Genard 表示：“汽车厂商倾向于越来越多地用塑料零部件来替代钣金件，以减轻车辆的重量，同时减少污染物排放。对于开发这些零部件的供应商来说，这是个重要的机遇。但是，他们无法承担创建真实的物理原型来确定其是否满足客户的需求的费用。为获得竞争优势，他们需要一些强大的工具来仿真声学特性，并且需要一个技艺精湛的服务团队帮助他们充分利用这一软件。我们深信，Actran 能让 Plastic Omnium 以更快的速度、更高的可靠性来设计未来的产品。”1.12.5 气动-结构噪声耦合仿真分析气动噪声具有广谱属性，其高频强度严重影响驾驶员舒适性。因气动噪声是由复杂的流体现象产生，其产生机理目前没有完全调查清楚。为了确定气动噪声产生机理以及向驾驶室内传播规律，本田结合试验和仿真（Actran+CFD）研究气动噪声产生根源、传播机理，为车辆NVH性能提供指导。下图为本田汽车为测试侧窗玻璃气动声学特性建立的试验原理图。车辆CFD结果与侧风窗气动噪声简化模型Actran气动噪声流程如下图，Actran可以考虑气体可压缩性，考虑最高车速，在车辆行业，流体采用不可压缩分析。Actran可以模拟气动声源生成、透过车辆结构传播过程、驾驶室内声学处理等。为考虑作用侧窗表面的湍流波动、气动湍流声源对室内噪声影响的贡献量，仿真中分别定义二者，同时，为考虑侧窗玻璃对气动噪声隔绝特性，利用Actran实体壳单元建立玻璃模型，经试验验证，采用本文中，采用12点固定的约束方式更能表示橡胶密封条对玻璃的约束作用。仿真过程中主要结果与步骤如下图1-图1-从仿真与试验对比中可以看出，Actran与试验结果十分一致，基于Lighthill体声源、作用侧窗玻璃压力载荷能够准确地代表气动声源。图1-为验证在不同频率段上作用在玻璃壁面压力载荷、空间气动声源对室内噪声的贡献量，分2步定义模型，提取结构后，采用下面公式分析各自贡献量。图1-1.12.6 基于Actran-Nastran声学包优化设计车辆高速行驶时，轮胎噪声、气动噪声、发动机噪声、