机车噪声模拟案例

FFT ACTRAN ACTRAN在列车声学设计中的应用李奇博士 ACTRAN在列车声学设计中的应用 ACTRAN软件介绍列车的噪声问题ACTRAN在列车声学设计中的应用 ACTRAN软件背景 世界上三款知名的声学软件ACTRAN 比利时FFT公司Sysnoise 现在的VirtualLab 比利时LMS公司VA ONE 法国ESI公司 由ESI公司收购的Rayon和AutoSEA整合而成 其中Sysnoise和ACTRAN均由现在的FFT公司Jean LouisMigeot教授和Jean PierreCoyette教授创立 ACTRAN软件背景 FFT和ACTRAN创立的背景两位教授开发的Sysnoise被LMS收购后 1998年选择离开 11家大公司于1999 2001年组成了ACTRAN联盟 资助两位教授开发ACTRAN 并成为第一批客户雷诺 宝马 标致 菲亚特 通用汽车等 整车企业立达 Rieter 哈金森 Hutchinson 汽车配件公司空客 航空壳牌石油 Glaverbel 能源 材料德国劳埃德船级社 船舶FFT参加众多科研项目 从风机噪声 轮胎噪声 航空发动机噪声到高性能计算以及产品的声学设计等 Locations 海基声学部门 咨询项目某型飞机典型结构 空调系统 机翼声学设计与优化高速列车振动 气动噪声分析核工业管道共振腔气动噪声分析 声疲劳分析 培训与教学声学课程噪声分析培训ACTRAN软件培训请关注 ACTRAN技术团队与支持 技术支持ACTRANQQ技术群 121109696ACTRANftp资料库 IP 211 157 108 87端口号 20账号与密码均为ACTRAN SomeAerospaceCustomers SomeAutomotiveCustomers SomeOtherReferences TheACTRANsoftwaresuite ACTRANVibro Acoustics ACTRANAero Acoustics ACTRANAcoustics ACTRANVI ACTRANforNASTRAN ACTRANAcoustics 声学仿真工具典型应用管道中声传播声波遇到障碍物的衍射振动结构的声辐射作为其他ACTRAN高级模块的基础ACTRANVibroAcousticsACTRANAeroAcousticsACTRANTM 消声器 空调系统 齿轮箱声辐射 ACTRANVibroAcoustics 振动声学仿真工具 声学有限元 结构有限元丰富的有限单元与材料库 声学有限元与无限元粘弹性梁单元 壳单元 实体单元 复合材料单元允许考虑预应力作用 多孔与多孔弹性单元压电材料单元 支持换能器 声纳与噪声主动控制模拟 真实的激励方式 声学 运动学与动态激励随机激励 湍流边界层 扩散声场 相关激励 得到平均值 标准偏差等高性能求解器与并行处理 扬声器 侧窗声传递 壳体振动辐射噪声 ACTRANAeroAcoustics 流致噪声仿真工具特性 支持大多数的CFD软件 并经过大量实验验证 Lightill声类比 M hring声类比 在有限元网格上可以定义边界条件 任何边界条件都可使用 这是与其他处理方法 如Curle FWHorBEM 相比 最大的优势 可以与VibroAcoustics联合计算 进行振动 流动声学一体化分析客户 Daimler BMW VW Delphi Visteon JohnDeere Brothers PSA 风扇噪声 空调管道 与实验结果比较 ACTRANforNASTRAN 从白车身到添加内饰材料整车模型的声学仿真工具应用于分阶段的研发进程满足计算精确性要求的同时 极大地提高求解速度与Nastran完全兼容 支持超单元应用客户 Ford Nissan Rieter Trimiseverywhere Superlementcoupling FromBIWtotrimmedbody ACTRANVI ACTRAN各模块的前后处理器利用其他CAE工具创建的网格 建立ACTRAN分析模型提供脚本化语言编辑功能方便快捷的后处理功能云图 频谱曲线 瀑布图 指向性曲线自动计算全局量从云图结果提取场点响应Plt2audio 将频谱曲线转换为声音文件 Modelcreationandvalidation Advancedpost processing FRFDisplayTool ACTRAN在列车声学设计中的应用 ACTRAN软件介绍列车的噪声问题ACTRAN在列车声学设计中的应用 列车噪声问题概述 轨道交通噪声对周围居民生产生活的影响 日趋严重 降低列车噪声已成为当前交通运输工程中的紧迫任务之一 列车运行噪声主要包括 轮轨噪声 机车动力装置噪声 列车振动噪声 等等 随着列车运行速度的不断提高 气动 湍流噪声成为新型高速列车另一重要噪声源 传统的列车发动机噪声A计权关系LA 30lgN 10lgP 31 4 dBA 对于新型高速列车不再适用 其中N为发动机转速 P为发动机马力 列车噪声问题概述 高速客车噪声影响包括两个方面 车内环境舒适感与外部周围居民的正常生产生活环境 有效抑制列车噪声可以分为主动控制声源和被动控制两类主要途径 科学模拟列车运行气动噪声 可以指导通过合理优化列车气动外形有效降低运行中高速流动产生的噪声 这也是通过主动控制声源降低高速列车噪声直接有效地方法 科学模拟列车车厢内部结构与装饰部件在振动激励下形成的车厢内部噪声环境 对合理评价车厢结构与声学设计具有实际应用指导意义 可以直接作为预测乘客乘车舒适感的主要方法与依据 ACTRAN在机车行业的应用 ACTRAN软件介绍列车的噪声问题ACTRAN在列车声学设计中的应用高速列车气动噪声分析列车车厢振动噪声分析列车结构隔声性能研究 气动噪声问题概述 原始结构几何模型与噪声问题描述ACTRANAero acoustics湍流噪声分析流程与原理CFD非定常流动模拟CFD网格划分与Fluent建模CFD模拟结果CAA湍流噪声分析ACTRANAero acoustics模型CAA网格划分与ACTRAN建模ACTRAN iCFD提取噪声源 Lighthill Mohring 和导入流场 Mohring ACTRANAero acoustics频域分析结果 列车车身模型 车身结构网格模型 列车车身气动噪声问题 工况说明 1 列车车身结构如上页图所示 2 外流场为均匀流场 平均流动速度380km h 3 雷诺数Re 1 107 马赫数Ma 0 3 4 车身为硬结构 在气流作用下不发生形变需求 在不同车速下 车身表面气流流动产生的湍流噪声响应最大噪声响应的频率和量级 以及对应的工况 ACTRAN Aero acoustics湍流噪声计算流程 CFD LES DES URANS 非定常流场分布压力 速度 密度 等 ACTRAN iCFD根据CFD计算结果通过Lighthill或Mohring声类比提取湍流噪声源通过傅里叶变换将时域结果变换到频域 ACTRAN Aero acoustics传播iCFD计算出的流动声源计算声场分布以及指定位置的声学变量 ACTRAN VI计算数据后处理 声场云图及频谱显示 FromCFDtoCAA ACTRAN Aero acoustics计算原理 CFD计算 URANS LES DNS 确定非定常流场根据非定常流场计算结果提取流动噪声源Lighthill声类比M hring声类比 体声源区域Ws CAA计算域W Actran AA FEM 无反射边界Ge 测量面 测量点 Lighthill Mohring声类比 LighthillAnalogy线性声场 流场与声场没有耦合低马赫数 Ma 0 2 高雷诺数 Re 106 均匀介质声传播 MohringAnalogy非线性声场 对流影响声场较强平均流动高雷诺数 Re 106 非均匀介质声传播 CFD流场计算网格 怎样构建CFD计算网格 通过网格生成工具 例如iCEMCFD Patran Hypermesh等 导入几何模型生成CFD计算网格 CFD非定常流场计算 FluentDES分离涡模拟结果 Vmean 105 555m s 车身表面压力分布图 CFD非定常流场计算 FluentDES分离涡模拟计算结果 Vmean 105 555m s TurbulentIntensity CFD非定常流场计算 FluentDES分离涡模拟计算结果 Vmean 105 555m s 速度幅值云图 CFD非定常流场计算 FluentDES分离涡模拟阻力系数 Cd 结果NormalizedDragCoefficient top ItsFourierTransform bottom ACTRAN Aero acoustics列车车身气动噪声模型 声学网格声传播媒质材料频域分析模型 CAA声场计算网格 怎样构建CAA计算网格 通过网格生成工具 例如iCEMCFD Patran Hypermesh等 导入几何模型生成CFD计算网格 CAA ACTRAN Aero acoustics计算区域 声学全模型 左图 声学近场模型 右图 CAA ACTRAN Aero acoustics计算区域 声传播区域 左图 无反射边界 右图 CAA ACTRAN Aero acoustics计算区域 测量面 左图 测量点 右图 ACTRAN iCFD提取流动噪声源 ACTRAN湍流噪声分析需要根据CFD工具 例如Fluent Star CD CFX等 计算得到的非定常流场提取流动噪声源ACTRAN iCFD 1 根据流场变量通过Lighthill Mohring声类比沿CAA网格积分计算流动噪声源 2 通过Fourier变换将时域结果变换到频域 3 Mohring声类比还需要将CFD流场导入到CAA计算网格上 ACTRAN iCFD ACTRAN iCFD提取流动噪声源 NyquistTheorem原始连续时间变量q t 离散采样时间序列q tk q t q tk if t 1 2fmax fmax 5000Hz t 0 0001s CFD非定常流场采样fmin 1 N t fmax 1 2 t f fminfmin 50Hzfmax 5000Hz N 200 t 0 0001s CAA模拟结果 平均流速380km h 湍流声源分布云图 10Hz50Hz100Hz1000Hz CAA模拟结果 平均流速380km h 声源附近测量点的声压级频率谱线 SPLindB fieldpoints1 6 CAA模拟结果 声压级云图 10Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 20Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 50Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 100Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 200Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 500Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 声压级云图 1000Hz 平均流速380km h CAA模拟结果 平均流速380km h 近场 7m 测量点声压级频率谱线 CAA模拟结果 平均流速380km h 近场 12m 测量点声压级频率谱线 CAA模拟结果 平均流速380km h 远场测量面 50m 声压级云图 正俯视图 10Hz20Hz50Hz100Hz200Hz500Hz 噪声辐射指向性 50m 水平面DDX Y 左图 180o横截面DDY Z 右图 90o CAA模拟结果 平均流速380km h 气动噪声问题总结 支持主流CFD软件的数据格式 包括Star CD Star CCM Fluent CFX Powerflow AcuSolve OpenFOAM 提取近体流动源项 速度 密度 压力 体声源意味着更高的精度 Lighthill声类比 低速流动 及M hring声类比 高速流动 为CAA分析提供了更多的声源项选择 通过CFD动静区交界面上提取的面声源 流动噪声分析能够有效处理旋转流场通过近体声源提取流动噪声源 对CFD湍流计算的要求明显降低 利用ACTRAN的积分插值法 稀疏网格的计算结果与加密网格基本一致 Actran提供了特有的 具有高度伸缩性的 基于域分割技术的核内和核外求解器 ACTRAN在机车行业的应用 高速列车气动噪声分析列车车厢振动噪声分析列车结构隔声性能研究 列车车厢振动声学分析 介绍 车厢模型长 4m 高 3 12m 宽 3m车身由三层材料组成 10mm厚铝 10mm厚多孔材料 10mm厚塑料车窗 玻璃车门 钢考虑到对称性 截取车厢的半空间建模激励 悬架处施加点力载荷 地板上 频率范围 5Hz 500Hz 频率步5Hz分析分两步 1 耦合车身与车厢内部空间 2 半自由场声辐射 考虑地面反射效应 模型介绍 1 车身结构 车窗 车门 车厢空间 外层 铝 10mm 中间层 多孔材料 10mm 内层 塑料 10mm 单层 玻璃 30mm 单层 钢 30mm 空气 两个载荷位置 1 车窗下地板施加1N点力载荷2 车门处地板施加1N点力载荷 相位与第一个点力载荷相反三种载荷工况 1 只考虑点力载荷12 只考虑点力载荷23 综合两个载荷边界条件 1 车厢连接处 结构边界沿着车身方向位移自由 其余两个方向为零 2 对称面上 沿着对称面法向的结构位移为零 其余方向自由 模型介绍 2 分析步骤1 Structureandinnercavity 载荷工况1 车窗下方地板施加1N点力载荷传递函数 声压级 点力载荷 分析步骤1 车身结构和内部声场 载荷工况1 车窗下地板施加点力载荷 300Hz SPL dB 500Hz SPL dB 分析步骤2 声辐射 基于第一步车身振动相应结果 计算辐射噪声 近场声学有限元 声学无限元 模拟远场响应 外部空气区域沿着车身方向拓展 以考虑临近车厢的散射效应 默认的刚性壁面 模拟地面反射作用 无限元中心位于地面 考虑到外部地面的反射效应 车身振动作为激励 分析步骤2 声辐射 载荷工况1 车窗下方地板施加点力载荷 分析步骤2 声辐射 载荷工况1 车窗下方地板施加点力载荷 200Hz SPL dB 200Hz SPL dB 500Hz SPL dB 500Hz SPL dB 500Hz SPL dB 计算统计 分析步骤1 振动声学计算内存 1200MBCPU 4CPULinux64bits电脑 2分钟 分析频率100个频率 3小时20分钟分析步骤2 声辐射内存 680MBCPU 4CPULinux64bits电脑 20秒 分析频率100个频率 30分钟备注 所有的计算 都是使用多载荷工况计算 载荷工况数的增加 对计算时间的影响甚微 展望 对结构材料的参数化分析激励方式的选择 力学载荷 内置的湍流边界层激励 随机载荷 CFD计算得到的空气动力性载荷隔声量 降噪指数研究 NR 结合模态方法计算与其他结构软件的联合仿真 NASTRAN ANSYS ABAQUS etc B型地铁车辆整车隔声性能研究 B型地铁车辆整车隔声性能分析研究 随着旅客对公共交通工具乘坐舒适性的要求提高 噪声作为舒适性中的一个重要指标越来越受到运营公司和工程设计人员的重视 在国内车辆噪声控制中 考虑到控制方法实施的可行性 在声源的传播途径上控制往往成为城轨车辆噪声控制的主要方法 整车的隔声设计为其中的关键 B型铝合金车辆的主要隔声部件包括 地板