汽车发动机噪声模拟

Mix-method (ACTRAN+TMM) can compute the TL until the lowest cut on frequency of the inlet/outlet duct.
Ex:
ACTRAN 11集成了TMM功能！
Finlet = 8000Hz
Finternal = 2000Hz
Finlet = 8000Hz
Foutlet 6000Hz
Finternal = 2000Hz
对于更复杂的模型，可以结合ACTRAN使用传 递矩阵方法
复杂几何 更高的频率范围 壳体辐射噪声+结构耗散 流动和温度梯度
TMM analytic codes can perform the TL computation only until 2000Hz.
Copyright Free Field Technologies
进排气系统模拟
利用ACTRAN可以方便地模拟进气和排气系统
排气管噪声 • 管道内声音传播、反射 • 评估出口的辐射阻抗 壳体辐射噪声 采用传递矩阵法模拟管道系统声学特性
计算模型可以考虑的因素：
流固耦合 开放的出口端 消声器 绝热层 吸声材料 穿孔板 流动效应 温度效应
7
Copyright Free Field Technologies
结构振动辐射噪声模拟
(Step 1)通过结构分析软件计算得到 振动结果作为声学激励 (FEV™
ACTRAN Model
Virtual Engine & ANSYS®. )
(Step 2)通过ACTRAN模拟噪声辐射.
Nastran Computation
声学无限元
为了保证求解精度，需要注意
从结构表面到无限元的距离 无限元阶次
11
Copyright Free Field Technologies
Green Analysis
声辐射计算，不需要计算每个频率步从结构振动到测点声压级之间的传
递函数；
本项目中，每隔50Hz计算一个传递函数，其余频率的传递函数将通过线 性插值方法计算。
1 0 I 2 0 0 1 R 0 2 * 1 0 0 I1 0 0 0 1 R R1 P0
T = T1*T2*T3 Task 2a: ACTRAN Model creation Task 2b: ACTRAN computations
To be performed for each component
Task 3: Results recombination using TMM 26
Copyright Free Field Technologies
温度百度文库应
Transmission Loss
With temperature
600K
300K
23
Copyright Free Field Technologies
整体声学模型
Outlet exhaust noise + “shell” radiated noise in one unique model Acoustic FEM/IEM interface
1. Cylinder block 2. Gearbox 3. Valve cover
计算性能
Linux 64bit系统，CPU 3.00GHz，16GB RAM 每一频率，计算时间为0.8秒 所有工况，所有频率一共耗时15小时 使用多核并行计算，将进一步减少计算时间
GREEN
ˆ j ( x)vn ( x)d p( x j ) p
v
12
due to an unit spherical source ˆ j ( x) Pressure p located on xj
v
vn
Coupling surface Velocity of the structure mesh
Copyright Free Field Technologies
BC_MESH
ANSYS® 结构计算与 ACTRAN 声学分析的网格划分标准不同。结构中弯曲
波长通常小于声波波长，因此结构振动分析时划分的网格尺寸更小。
ACTRAN提供 BC_MESH ，将结构网格的信息映射到声学网格。
BC_MESH 支持将结构的振动响应转换为真实的声学边界条件，例如将结构的 法向振动速度转换为结构表面空气层的振速。
声学无限元
自由场声辐射
使用无限元：
• 提供无反射边界条件 • 得到计算域外的声场
导出辐射声功率
Interface finite/infinite
5
Copyright Free Field Technologies
Case Study: Gearbox (2/2)
Pressure at master microphone
BorgWarner 工程师面临一个挑战:
计算时间太长，难以满足设计流程要求
Nastran Model
(size : 0.436 m * 0.245m)
Actran IE/FE Model
microphones location
Infinite elements interface
4
Copyright Free Field Technologies
Field Points
Pellicular basis acceleration zone
结构表面的振动速度结果
With/without admittance
18
Copyright Free Field Technologies
PROBLEM 2: 进排气系统声学分析
PROBLEM 1: 结构振动噪声辐射 PROBLEM 2: 进排气系统声学分析 PROBLEM 3: 燃油喷射管路振动声学问题
ACTRAN Results
8
Copyright Free Field Technologies
发动机结构
9
Copyright Free Field Technologies
网格模型
声学网格使用 ANSA™ “wrap convex” 功能；
每波长4个线性单元划分。
10
Copyright Free Field Technologies
6
Copyright Free Field Technologies
案例分析
“Experimental Validation of an Efficient Procedure for Large
Acoustic Radiation Problems ”, M.Gustafsson，Volvo Powertrain,
14
Copyright Free Field Technologies
实验验证
选择几种发动机转速工况，验证仿真分析结果。
从250Hz～2000Hz，差距在2dB以内。
15
Copyright Free Field Technologies
计算总结
主要噪声源是以下三个部件，贡献70%的辐射声能:
Actran BEM solver
Radiated power
Actran BEM solver
[200, 2000 Hz] with a step of 30 Hz
[200, 2000 Hz] with a step of 30 Hz
计算性能比较-单载荷工况:
BorgWarner BEM 软件: 1.5 小时 (Xeon 64 bits machine) Actran: 8 分钟 (Regular PC) 多载荷工况不会明显增加时间
Sweden，ISMA International Conference on Noise and Vibration Engineering, 20-22 Sept.2010, Leuven, Belgium.
研究目标：找到一种方法研究动力总成的噪声问题，减少对实验方法的依赖。 发动机本体噪声 发动机舱环境噪声 汽车通过噪声 对乘客舱的影响 对仿真技术的要求：稳定、快速、可靠、高效。
16
Copyright Free Field Technologies
ACTRAN计算辐射噪声的优势
设定不同控制面，ACTRAN自动统计结构不同部位辐射声能；
支持多工况计算，边界元方法无法比拟的计算速度；
对于某一场点的贡献量分析。
radiating 1
radiating 4
radiating 3
整体声学模型计算结果
Energies spectra Exterior sound field
Interior cavity SPL
Structure deformation
25
Copyright Free Field Technologies
TMM分析整体排气系统的优势
Task 1: Geometry – Division into subsystems
FFT-ACTRAN
汽车发动机声学仿真
李奇 博士
Copyright Free Field Technologies
目录
PROBLEM 1: 结构振动噪声辐射 PROBLEM 2: 进排气系统声学分析
PROBLEM 3: 燃油喷射管路振动声学问题
2
Copyright Free Field Technologies
fluid 2 (ρ2,c2,T2)
fluid 1 (ρ1,c1,T1)
Acoustic elements, exhaust interior
Shell elements, exhaust skin
Actran 支持不匹配网格
24
Acoustic elements, outside fluid
Copyright Free Field Technologies
Out (shell) In
Out (pipe)
20
Copyright Free Field Technologies
ACTRAN的传递矩阵方法（TMM）
解析的传递矩阵方法功能有限
只适用于简单形状 仅限于平面波(see ) 不能模拟壳体辐射噪声 均匀介质
TMM analytic codes are limited to the lowest cut-on frequency of all the elements (inlet/outlet/internal duct). Ex:
In this case, ACTRAN can perform the TL computation until 6000Hz
21
Copyright Free Field Technologies
排气管噪声问题描述
排气系统一个部件的噪声 (例如: 消声器)
Incident power from the engine
PROBLEM 1: 结构振动噪声辐射
PROBLEM 1: 结构振动噪声辐射 PROBLEM 2: 进排气系统声学分析 PROBLEM 3: 燃油喷射管路振动声学问题
Copyright Free Field Technologies
Case Study: Gearbox(1/2)
BorgWarner 使用BEM求解器计算齿轮箱结构振动辐射噪声
radiating 2
17
Copyright Free Field Technologies
使用ACTRAN基于声场结果重建结构振动响应
ACTRAN/Acoustics能够反运算:
利用一系列传声器测量得到的声压结果 ACTRAN/Acoustics重建结构振动表面的法向速度
提取测试结果
Not reflective BC
Transmitted power (pipe noise)
计算传递损失 (TL)
TL =10*log10(Wincident/Wtransmitted) 结合传递矩阵法，计算排气系统整体的降噪效果
22
Copyright Free Field Technologies
创建若干 BC_MESH 控制面，研究动力总成不同部件的声辐射。
13
Copyright Free Field Technologies
Acoustic results
ACTRAN提供多种类型的结果:
频谱曲线：每一种工况，各测点的声学频响函数； 瀑布图：发动机的整体响应； 云图：任意工况、频率的振动或声学响应云图； 能量统计：辐射声功率，各部件辐射声能。