汽车风噪声解决方案

Lighthill / Mö hring 声类比 • Lighthill声类比
– 线性声场，流场与声场没有耦合 – 低马赫数(Ma<0.2)
– 高雷诺数 – 均匀介质声传播
• Möhring声类比
– – – – 非线性声场，对流影响声场 较强平均流动 高雷诺数 非均匀介质声传播
气动声学分析方法比较
Incompressible CFD Solver
Pressure fluctuations are stored on this surface Acoustic WPF
volume source
1
Strategy 1
Noise due to the AWPF created by the vortex structures
车窗振动响应与乘客舱声场分布
Actran提供结构求解器，模型包含气动声源，同时包含车身结 构物理模型！
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势三：体声源提取方式-不同部位声贡献量评价
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标 准分析流程
– 案例1：标致汽车(2005-2010 TWPF) – 案例2：雷诺汽车 (2008-2012 AWPF“扩散声 场”+TWPF) – 案例3：戴姆勒汽车（2012 AWPF “体声源”校验） – 案例4：大众汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例5：本田汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例6：现代汽车（2014 TWPF）
Actran VI
推荐方案
• 基于Actran的混合求解方法
– 第一步：CFD定常分析
• 提供车身外形修改建议，改善气动性能
– 第二步：“CFD非定常+Actran”混合求解
• 车身噪声分布 • 不同部位声源贡献量 • 车身隔声性能研究
Actran/AA 计算步骤
CFD软件
湍流 CFD 模拟
基本变量
Actran acoustic radiation
Turbulent WPF Strategy 2
Actran Vibro-acoustic model
2
Noise due to the TWPF created by the turbulence
风噪声分析流程
报告内容
风噪声研究背景 风噪仿真解决方案 风噪仿真案例 海基声学事业部简介
压强, 速度, 密度, ……
iCFD
- 将 CFD 基本量转换为声源 - 将声源用积分法插值入声学网格 - 执行傅里叶转换 从 CFD 结果到声学结果...
Actran Actran/VI
Actran结果的后处理 计算 iCFD 得到声源的传播 - 导出预设场点的声场云图和声 压值
基于Actran混合求解技术的四大优势
• 优势一：CFD程序的普适性
– Star-CD – Star-CCM+ – Fluent – PowerFlow – Openfoam – …… 以上CFD软件都有和Actran联合仿真预测汽车风噪声的成功案例！
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势二：气动/振动声学的一体化求解
车窗脉动压力分布
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标 准分析流程
– 案例1：标致汽车(2005-2010 TWPF) – 案例2：雷诺汽车 (2008-2012 AWPF“扩散声 场”+TWPF) – 案例3：戴姆勒汽车（2012 AWPF “体声源”校验） – 案例4：大众汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例5：本田汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例6：现代汽车（2014 TWPF）
Steel Plate
Fluid cavity
Fibrous foam
非稳态Fluent 6.1 LES计算，不可压缩流。万分之一采样时间步，3000步。 结论： 1.试验结果与仿真值吻合较好； 2.Corcos模型可以部分取代CFD非定常计算(板上面的湍流)。
案例1：标致汽车 (2010)
0.7m
案例1：标致汽车 (2005)
设置简化模型，建立方形箱体，一侧壁面是钢板，四个角是多孔材料，内部空气域。 载荷：1.使用Actran中TBL载荷方式Corcos模型加载(模拟TWPF)； 2.使用Fluent6.1进行流场分析，和Actran联合求解。
CFD计算的激励(Fluent LES) VA model
好
瞬态
好
稳态
有限制
Actran 可进行流动-振动声学一体化分析！
The Actran software suite
Actran for NASTRAN
Actran DGM
Actran Vibro-Acoustics
Actran Aero-Acoustics
Actran TM
Actran Acoustics
3.总激励=湍流边界层激励（TBL）+0.1*扩散声场激励（DSF）
• 声学模型的网格尺度规则
– DSF 激励 = 需要捕捉声波波长c/f = 340/f
辐射声压
AWPF
TWPF
AWPF+TWPF
• 比较距离板0.6米远的测点辐射声压功率谱密度响应：
– 扩散声场载荷小于湍流边界层载荷，但是导致的辐射噪声仍然更高
方法 1 特点与不足 直接方法 CAA 计算资源 反射效应 声透射结构 声波对流体的 作用 最多 √ × √ 方法 2 混合方法 （Actran） 一般 √ √ × 方法 3 混合方法 （FW-H、BEM） 一般 × × × 方法4 湍流模型 （半经验方法） 最少 × × ×
求解类型
精确性
瞬态
好
瞬态
分析模型
Exterior model
Interior model
Volkswagen Passat model
CFD仿真
复杂的外流场 立柱产生的涡流 后视镜尾流 其它不连续处产生的涡流
CFD 参数 仿真软件：OpenFoam 湍流模型： DES 分析工况：33.3m/s (120km/h) 网格要求：车窗附近网格需要细化 求解类型：不可压求解 时间步：7.5e-5s 输出总时间： 0.2s 根据采样定理，获得最小分析 频率为5Hz，分析步为5Hz 最大分析频率：6660Hz
汽车风噪声解决方案及其应用
报告人：张吉健 北京海基嘉盛科技有限公司 2015年8月18日
手机：18518315092，邮箱：zhangjj@hikeytech.com
报告内容
风噪声研究背景 风噪仿真解决方案 风噪仿真分析案例 海基声学事业部简介
汽车噪声源分析
风噪声源分析
结构声源
气动声源
风噪声控制的趋势——From J.D.Power
风噪声改善方法
• 车身气动性能优化
– – – – – A柱 后视镜 隐藏式雨刮 隐藏式天线 ……
1. 如何认识风噪声与车身 外形的关系？
• 车身隔声性能优化
– – – – 车门、车窗密封系统 风挡、侧窗玻璃增厚 车身密封 ……
2. 如何预测车内声学响应
以优化车身隔声性能？
报告内容
风噪声研究背景 风噪仿真解决方案 风噪仿真案例 海基声学事业部简介
AWPF体声源模型校核分析
Two different source mechanisms can be observed: • Cylinder wake (especially at the vortex shedding frequency) • Cylinder wake – leading edge interaction
风噪声作用机理
• 车身外部湍流将产生两种形式的声源，真实的噪声 应是两者之和： 一、湍流自身可以看做体声源(AWPF)：
1. 后视镜尾涡区域形成的涡旋是噪声源； 2. 噪声传播的过程中，在侧窗表面发生反射1a； 3. 部分噪声透过侧窗，传递到车内1b。
1a 1b
Turbulences into Open FOAM 侧视镜下游的涡结构产生湍流
计算气动声学（CAA）
• 有许多策略解决CAA问题
– 直接计算 – 混合方法 – 半经验模型
• 在CAA中，主要挑战是CFD
– 精确求解Navier-Stokes方程 – 空间和时间分辨率限制在可接受的成本
百度文库 气动声学的难点
• 非定常特性，气动噪声是流场非定常运动所引起的，又以 声波的形式向远方传播； • 气动噪声的频率范围非常宽，可听声的频率范围大约为： 20~20000Hz，人耳最敏感的频率是1000~5000Hz； • 流场尺度相差极大，相对于传统的动力学量，气动噪声的 相关物理量非常小，相差3个量级以上； • 声场范围比CFD计算的流场范围大很多。
– 案例1：标致汽车(2005-2010 TWPF) – 案例2：雷诺汽车 (2008-2012 AWPF“扩散声 场”+TWPF) – 案例3：戴姆勒汽车（2012 AWPF “体声源”校验） – 案例4：大众汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例5：本田汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例6：现代汽车（2014 TWPF）
CFD TWPF
• 计算最小频率2Hz，最大为12500Hz，频率分 辨率为2Hz
Interpolated TWPF
仿真与试验对比
• 仿真结果与风洞测试结果对比。
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标 准分析流程
– 案例1：标致汽车(2005-2010 TWPF) – 案例2：雷诺汽车 (2008-2012 AWPF“扩散声 场”+TWPF) – 案例3：戴姆勒汽车（2012 AWPF “体声源”校验） – 案例4：大众汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例5：本田汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例6：现代汽车（2014 TWPF）
项目目标
• • • • 侧窗表面承受的压力，导致振动辐射噪声； 压力由两部分载荷构成（1）AWPF（2）TWPF； 使用Actran计算比较这两种压力的传递效率； 模型选择侧窗玻璃。
激励和输出
• 使用三种载荷
1.扩散声场激励(DSF)
2.湍流边界层激励（TBL），Corcos模型，流速36m/s
25
振动声学模型—窗
• 侧窗包含蓝色和粉色的部分，是用于施加TWPF载荷的。
• 蓝色玻璃四周固支，粉色与红色玻璃通过两个安装点进行位移约束。
0.7m
振动声学模型—空气
• • • • 侧窗在半自由空间辐射声波，模拟向车内的声辐射。 使用空气的标准属性。 声场与结构网格是不匹配的。 有限元与无限元结合模拟半自由场。
无限元
振动声学模型—密封条
• 考虑了密封条: – 1个在大窗户附近 – 2个在大窗户外侧及2个在内侧 • 密封条一侧被固定
CFD 计算
• CFD计算参数: – 提取时间：0.5s – 时间步： 4*10-5 s • CFD采样时间步与分析频率依据采样定理
1 2 t 1 f Nt f max
FEM region
Acoustic sources @ 1375Hz
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标 准分析流程
– 案例1：标致汽车(2005-2010 TWPF) – 案例2：雷诺汽车 (2008-2012 AWPF“扩散声 场”+TWPF) – 案例3：戴姆勒汽车（2012 AWPF “体声源”校验） – 案例4：大众汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例5：本田汽车(2012 AWPF“体声源”+TWPF) – 案例6：现代汽车（2014 TWPF）
More Cases——雷诺：密封条隔声特性分析
• 分析步骤 – 准静态分析 – 声学分析 密封条系统 • 计算工况 – 频率范围500-4000Hz – 杨氏模量、阻尼、压缩比率 – 不同截面形状
密封条 准静态分析 有限元模型
声学分析
边界条件
声学有限元/无限元
扩散声场激励
基于Actran混合求解技术的四大优势 • 优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标 准分析流程
Actran Aero-Acoustics 湍流噪声的传播与反射
Actran VibroAcoustics 噪声通过车窗传递入车内
侧视镜产生的噪声 • 车身外部湍流将产生两种形式的声源，真实的噪 声应是两者之和： 二、湍流同时在侧窗表面形成脉动压力，湍流壁面 脉动压力（TWPF）激发侧窗产生振动。