1、Copyright Hi-Key TechnologiesFFT-ACTRANACTRANACTRAN在列車聲學設計中的應用在列車聲學設計中的應用2Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在列車聲學設計中的應用在列車聲學設計中的應用 ACTRAN軟件介紹 列車的噪聲問題 ACTRAN在列車聲學設計中的應用3Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN軟件背景 世界上三款知名的聲學軟件 ACTRAN，比利時FFT公司 Sysnoise（現(xiàn)在的Virtual Lab）, 比利時LMS公司 VA-ONE，法國ESI公司（由ESI公司收購

2、的Rayon和AutoSEA整合而成） 其中Sysnoise和ACTRAN均由現(xiàn)在的FFT公司Jean-Louis Migeot教授和Jean-Pierre Coyette教授創(chuàng)立4Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN軟件背景 FFT和ACTRAN創(chuàng)立的背景 兩位教授開發(fā)的Sysnoise被LMS收購后，1998年選擇離開！ 11家大公司于19992001年組成了ACTRAN聯(lián)盟，資助兩位教授開發(fā)ACTRAN，并成為第一批客戶 雷諾、寶馬、標致、菲亞特、通用汽車等 整車企業(yè) 立達（Rieter）、哈金森（Hutchinson）汽車配件公司 空客 航空 殼牌石油、

3、Glaverbel能源、材料 德國勞埃德船級社船舶 FFT參加眾多科研項目，從風機噪聲、輪胎噪聲、航空發(fā)動機噪聲到高性能計算以及產(chǎn)品的聲學設計等。5Copyright Hi-keyTechnologiesLocations6Copyright Hi-keyTechnologies海基聲學部門 咨詢項目 某型飛機典型結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、機翼聲學設計與優(yōu)化 高速列車振動、氣動噪聲分析 核工業(yè)管道共振腔氣動噪聲分析、聲疲勞分析 培訓與教學 聲學課程 噪聲分析培訓 ACTRAN軟件培訓 請關(guān)注7Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN技術(shù)團隊與支持技術(shù)支持 ACTRAN QQ技

4、術(shù)群：121109696 ACTRAN ftp資料庫： IP:7 端口號：20 賬號與密碼均為ACTRAN8Copyright Hi-keyTechnologiesSome Aerospace Customers9Copyright Hi-keyTechnologiesSome Automotive Customers10Copyright Hi-keyTechnologiesSome Other References11Copyright Hi-keyTechnologiesThe ACTRAN software suiteACTRAN Vibro-Acoustic

5、sACTRAN Aero-AcousticsACTRAN TMACTRAN AcousticsACTRAN DGMACTRAN VIACTRAN for NASTRAN12Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN Acoustics 聲學仿真工具 典型應用管道中聲傳播聲波遇到障礙物的衍射振動結(jié)構(gòu)的聲輻射 作為其他ACTRAN高級模塊的基礎ACTRAN VibroAcousticsACTRAN AeroAcousticsACTRAN TM消聲器空調(diào)系統(tǒng)齒輪箱聲輻射13Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN VibroAcoustics振動

6、聲學仿真工具=聲學有限元+結(jié)構(gòu)有限元豐富的有限單元與材料庫:聲學有限元與無限元粘彈性梁單元、殼單元、實體單元、復合材料單元允許考慮預應力作用 (*)多孔與多孔彈性單元壓電材料單元，支持換能器、聲納與噪聲主動控制模擬 (*)真實的激勵方式:聲學，運動學與動態(tài)激勵隨機激勵：湍流邊界層、擴散聲場、相關(guān)激勵，得到平均值、標準偏差等高性能求解器與并行處理揚聲器側(cè)窗聲傳遞殼體振動輻射噪聲14Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN AeroAcoustics 流致噪聲仿真工具 特性： 支持大多數(shù)的CFD軟件，并經(jīng)過大量實驗驗證； Lightill 聲類比、Mhring 聲類比；

7、 在有限元網(wǎng)格上可以定義邊界條件： 任何邊界條件都可使用 ! 這是與其他處理方法(如Curle, FWH or BEM)相比，最大的優(yōu)勢！ 可以與VibroAcoustics聯(lián)合計算，進行振動/流動聲學一體化分析 客戶：Daimler, BMW, VW, Delphi, Visteon, John Deere, Brothers, PSA.風扇噪聲空調(diào)管道與實驗結(jié)果比較15Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN for NASTRAN 從白車身到添加內(nèi)飾材料整車模型的聲學仿真工具 應用于分階段的研發(fā)進程 滿足計算精確性要求的同時，極大地提高求解速度 與 Nastr

8、an 完全兼容，支持超單元應用 客戶: Ford, Nissan, Rieter, .Trim is everywhereSuperlement couplingFrom BIW to trimmed body16Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN VI ACTRAN各模塊的前后處理器 利用其他CAE工具創(chuàng)建的網(wǎng)格，建立ACTRAN分析模型 提供腳本化語言編輯功能 方便快捷的后處理功能云圖、頻譜曲線、瀑布圖、指向性曲線自動計算全局量從云圖結(jié)果提取場點響應Plt2audio：將頻譜曲線轉(zhuǎn)換為聲音文件Model creation and validationAdv

9、anced post-processingFRF Display Tool17Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在列車聲學設計中的應用在列車聲學設計中的應用 ACTRAN軟件介紹 列車的噪聲問題 ACTRAN在列車聲學設計中的應用18Copyright Hi-keyTechnologies列車噪聲問題概述列車噪聲問題概述 軌道交通噪聲對周圍居民生產(chǎn)生活的影響，日趨嚴重。降低列車噪聲已成為當前交通運輸工程中的緊迫任務之一。 列車運行噪聲主要包括，輪軌噪聲，機車動力裝置噪聲，列車振動噪聲，等等。隨著列車運行速度的不斷提高，氣動/湍流噪聲成為新型高速列車

10、另一重要噪聲源。 傳統(tǒng)的列車發(fā)動機噪聲A計權(quán)關(guān)系LA=30lgN+10lgP-31.4(dBA)，對于新型高速列車不再適用，其中N為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，P為發(fā)動機馬力。19Copyright Hi-keyTechnologies列車噪聲問題概述列車噪聲問題概述 高速客車噪聲影響包括兩個方面，車內(nèi)環(huán)境舒適感與外部周圍居民的正常生產(chǎn)生活環(huán)境。有效抑制列車噪聲可以分為主動控制聲源和被動控制兩類主要途徑。 科學模擬列車運行氣動噪聲，可以指導通過合理優(yōu)化列車氣動外形有效降低運行中高速流動產(chǎn)生的噪聲。這也是通過主動控制聲源降低高速列車噪聲直接有效地方法。 科學模擬列車車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)與裝飾部件在振動激勵下形成的車廂內(nèi)

11、部噪聲環(huán)境，對合理評價車廂結(jié)構(gòu)與聲學設計具有實際應用指導意義，可以直接作為預測乘客乘車舒適感的主要方法與依據(jù)。20Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在機車行業(yè)的應用在機車行業(yè)的應用 ACTRAN軟件介紹 列車的噪聲問題 ACTRANACTRAN在列車聲學設計中的應用在列車聲學設計中的應用 高速列車氣動噪聲分析高速列車氣動噪聲分析 列車車廂振動噪聲分析列車車廂振動噪聲分析 列車結(jié)構(gòu)隔聲性能研究列車結(jié)構(gòu)隔聲性能研究21Copyright Hi-keyTechnologies氣動噪聲問題概述氣動噪聲問題概述 原始結(jié)構(gòu)幾何模型與噪聲問題描述 ACTRAN

12、Aero-acoustics湍流噪聲分析流程與原理 CFD非定常流動模擬CFD網(wǎng)格劃分與Fluent建模CFD模擬結(jié)果 CAA湍流噪聲分析ACTRAN Aero-acoustics模型CAA網(wǎng)格劃分與ACTRAN建模ACTRAN-iCFD提取噪聲源(Lighthill/Mohring)和導入流場(Mohring)ACTRAN Aero-acoustics頻域分析結(jié)果22Copyright Hi-keyTechnologies列車車身模型列車車身模型車身結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型23Copyright Hi-keyTechnologies列車車身氣動噪聲問題列車車身氣動噪聲問題 工況說明：【1】列車車身結(jié)構(gòu)如

13、上頁圖所示【2】外流場為均勻流場, 平均流動速度380km/h【3】雷諾數(shù) Re 1*107 , 馬赫數(shù) Ma 0.3【4】車身為硬結(jié)構(gòu)，在氣流作用下不發(fā)生形變 需求： 在不同車速下，車身表面氣流流動產(chǎn)生的湍流噪聲響應 最大噪聲響應的頻率和量級，以及對應的工況24Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪聲計算流程湍流噪聲計算流程CFD - LES/DES/URANS非定常流場分布 壓力，速度，密度，等ACTRAN - iCFD根據(jù)CFD計算結(jié)果通過Lighthill 或 Mohring 聲類比提取湍流噪聲源 通過傅里葉變換將

14、時域結(jié)果變換到頻域ACTRAN - Aero-acoustics 傳播iCFD計算出的流動聲源 計算聲場分布以及指定位置的聲學變量ACTRAN - VI計算數(shù)據(jù)后處理，聲場云圖及頻譜顯示From CFD to CAA .25Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 計算原理計算原理 CFD計算 (URANS, LES, DNS, )確定非定常流場 根據(jù)非定常流場計算結(jié)果提取流動噪聲源 Lighthill 聲類比 Mhring 聲類比體聲源區(qū)域 WsCAA 計算域 W(Actran/AA, FEM)無反射邊界 Ge測量面測量點26Co

15、pyright Hi-keyTechnologiesLighthill / Mohring 聲類比聲類比 Lighthill Analogy 線性聲場，流場與聲場沒有耦合 低馬赫數(shù)(Ma0.2) 高雷諾數(shù)(Re106) 均勻介質(zhì)聲傳播 Mohring Analogy 非線性聲場，對流影響聲場 較強平均流動 高雷諾數(shù)(Re106) 非均勻介質(zhì)聲傳播27Copyright Hi-keyTechnologiesCFD流場計算網(wǎng)格流場計算網(wǎng)格 怎樣構(gòu)建怎樣構(gòu)建CFDCFD計算網(wǎng)格？計算網(wǎng)格？通過網(wǎng)格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 導入幾何模型 生成CFD計算網(wǎng)格2

16、8Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流場計算非定常流場計算Fluent DES Fluent DES 分離渦模擬結(jié)果分離渦模擬結(jié)果 (V(Vmeanmean=105.555m/s)=105.555m/s) 車身表面壓力分布圖29Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流場計算非定常流場計算Fluent DES Fluent DES 分離渦模擬計算結(jié)果分離渦模擬計算結(jié)果 (V(Vmeanmean=105.555 m/s)=105.555 m/s) Turbulent IntensityTurbulent Intensity 30Cop

17、yright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流場計算非定常流場計算Fluent DES Fluent DES 分離渦模擬計算結(jié)果分離渦模擬計算結(jié)果 (V(Vmeanmean=105.555m/s)=105.555m/s)速度幅值云圖速度幅值云圖 31Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流場計算非定常流場計算Fluent DES Fluent DES 分離渦模擬阻力系數(shù)分離渦模擬阻力系數(shù)(Cd)(Cd)結(jié)果結(jié)果 Normalized Drag Coefficient (top) & Its Fourier Transform (botto

18、m)Normalized Drag Coefficient (top) & Its Fourier Transform (bottom) 32Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN/Aero-acoustics 列車車身氣動噪聲模型列車車身氣動噪聲模型聲學網(wǎng)格聲學網(wǎng)格聲傳播媒質(zhì)材料聲傳播媒質(zhì)材料頻域分析模型頻域分析模型33Copyright Hi-keyTechnologiesCAACAA聲場計算網(wǎng)格聲場計算網(wǎng)格 怎樣構(gòu)建怎樣構(gòu)建CAACAA計算網(wǎng)格？計算網(wǎng)格？通過網(wǎng)格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 導入幾何模型 生成

19、CFD計算網(wǎng)格34Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics計算區(qū)域計算區(qū)域聲學全模型（左圖） 聲學近場模型（右圖）35Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics計算區(qū)域計算區(qū)域聲傳播區(qū)域（左圖） 無反射邊界（右圖）36Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics計算區(qū)域計算區(qū)域測量面（左圖） 測量點（右圖）37Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN -iCF

20、D 提取流動噪聲源提取流動噪聲源ACTRANACTRAN湍流噪聲分析湍流噪聲分析 需要根據(jù)CFD工具(例如Fluent, Star-CD, CFX等)計算得到的非定常流場提取流動噪聲源ACTRAN iCFDACTRAN iCFD1根據(jù)流場變量通過Lighthill / Mohring聲類比沿CAA網(wǎng)格積分計算流動噪聲源2通過Fourier變換將時域結(jié)果變換到頻域3Mohring聲類比還需要將CFD流場導入到CAA計算網(wǎng)格上ACTRAN -iCFD38Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN -iCFD 提取流動噪聲源提取流動噪聲源 Nyquist TheoremNy

21、quist Theorem原始連續(xù)時間變量q(t)離散采樣時間序列q(tk)q(t)q(tk) if t1/(2fmax)fmax = 5000Hz t0.0001s CFDCFD非定常流場采樣非定常流場采樣fmin = 1/(Nt) fmax = 1/(2t)f = fmin fmin = 50 Hz fmax = 5000 Hz N = 200, t = 0.0001s39Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）湍流聲源分布云圖湍流聲源分布云圖 10 Hz 50 Hz100 Hz 1000 Hz4

22、0Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）聲源附近測量點的聲壓級頻率譜線聲源附近測量點的聲壓級頻率譜線(SPL in dB, field points1-6)(SPL in dB, field points1-6)41Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （10Hz,10Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）42Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖

23、（20Hz,20Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）43Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （50Hz,50Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）44Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （100Hz,100Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）45Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （200Hz,200Hz,平均流速平均流速380k

24、m/h 380km/h ）46Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （500Hz,500Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）47Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果- -聲壓級云圖聲壓級云圖 （1000Hz,1000Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）48Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）近場近場(7m)(7m)測量點聲壓級頻率譜線測量點聲壓級頻率

25、譜線49Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）近場近場(12m)(12m)測量點聲壓級頻率譜線測量點聲壓級頻率譜線50Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ） 遠場測量面(50m)聲壓級云圖 (正俯視圖)10Hz 20Hz 50Hz100Hz 200Hz 500Hz51Copyright Hi-keyTechnologies噪聲輻射指向性噪聲輻射指向性 (50m) (50m)水平面 DD X-Y(左圖) 1

26、80o橫截面 DD Y-Z(右圖) 90oCAA模擬結(jié)果模擬結(jié)果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）52Copyright Hi-keyTechnologies氣動噪聲問題總結(jié)氣動噪聲問題總結(jié) 支持主流支持主流CFDCFD軟件的數(shù)據(jù)格式，包括軟件的數(shù)據(jù)格式，包括Star-CD, Star-CCM+, Fluent, CFX, Star-CD, Star-CCM+, Fluent, CFX, PowerflowPowerflow，AcuSolve, OpenFOAMAcuSolve, OpenFOAM 提取近體流動源項提取近體流動源項( (速度、密度、壓力速度、密度、壓力)

27、)，體聲源意味著更高的精度。，體聲源意味著更高的精度。LighthillLighthill聲類比聲類比( (低速流動低速流動) )及及MhringMhring聲類比聲類比( (高速流動高速流動) )為為CAACAA分析提供了更多的聲源項選分析提供了更多的聲源項選擇。擇。 通過通過CFDCFD動靜區(qū)交界面上提取的面聲源，流動噪聲分析能夠有效處理旋轉(zhuǎn)流場動靜區(qū)交界面上提取的面聲源，流動噪聲分析能夠有效處理旋轉(zhuǎn)流場 通過近體聲源提取流動噪聲源，對通過近體聲源提取流動噪聲源，對CFDCFD湍流計算的要求明顯降低。湍流計算的要求明顯降低。 利用利用ACTRANACTRAN的積分插值法，稀疏網(wǎng)格的計算結(jié)果

28、與加密網(wǎng)格基本一致。的積分插值法，稀疏網(wǎng)格的計算結(jié)果與加密網(wǎng)格基本一致。 ActranActran提供了特有的、具有高度伸縮性的、基于域分割技術(shù)的核內(nèi)和核外求解器提供了特有的、具有高度伸縮性的、基于域分割技術(shù)的核內(nèi)和核外求解器。53Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在機車行業(yè)的應用在機車行業(yè)的應用 高速列車氣動噪聲分析 列車車廂振動噪聲分析 列車結(jié)構(gòu)隔聲性能研究Copyright Hi-Key Technologies列車車廂振動聲學分析 55Copyright Hi-keyTechnologies介紹 車廂模型長: 4 m，高: 3.12 m，寬

29、: 3 m車身由三層材料組成: 10 mm 厚鋁, 10 mm 厚多孔材料, 10 mm 厚塑料車窗: 玻璃車門: 鋼 考慮到對稱性，截取車廂的半空間建模 激勵: 懸架處施加點力載荷(地板上) 頻率范圍: 5 Hz 500 Hz, 頻率步5 Hz 分析分兩步: 1，耦合車身與車廂內(nèi)部空間; 2, 半自由場聲輻射(考慮地面反射效應)56Copyright Hi-keyTechnologies模型介紹 - 1 車身結(jié)構(gòu): 車窗: 車門: 車廂空間: 外層: 鋁, 10 mm中間層: 多孔材料, 10 mm內(nèi)層: 塑料, 10 mm單層: 玻璃, 30 mm單層: 鋼, 30 mm空氣57Copyr

30、ight Hi-keyTechnologies 兩個載荷位置:1, 車窗下地板施加1N點力載荷2, 車門處地板施加1N點力載荷，相位與第一個點力載荷相反 三種載荷工況:1, 只考慮點力載荷12, 只考慮點力載荷23, 綜合兩個載荷 邊界條件:1, 車廂連接處，結(jié)構(gòu)邊界沿著車身方向位移自由，其余兩個方向為零；2, 對稱面上，沿著對稱面法向的結(jié)構(gòu)位移為零，其余方向自由。模型介紹 - 258Copyright Hi-keyTechnologies分析步驟 1 Structure and inner cavity 載荷工況1 車窗下方地板施加1N點力載荷 傳遞函數(shù): 聲壓級 / 點力載荷 110235

31、00 Hz, directivity, (dB)Transfer function (dB)Microphone 1, frequency response function, (dB)Transfer function (dB)59Copyright Hi-keyTechnologies分析步驟1 車身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部聲場 載荷工況1 車窗下地板施加點力載荷300 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)1102360Copyright Hi-keyTechnologies分析步驟 2 聲輻射 基于第一步車身振動相應結(jié)果，計算輻射噪聲近場聲學有限元聲學無限元，模擬遠場響應外部空氣區(qū)

32、域沿著車身方向拓展，以考慮臨近車廂的散射效應默認的剛性壁面，模擬地面反射作用無限元中心位于地面，考慮到外部地面的反射效應車身振動作為激勵61Copyright Hi-keyTechnologies分析步驟 2 聲輻射 載荷工況1: 車窗下方地板施加點力載荷123128布置兩組遠場場點128100 Hz, inner arc directivity, (dB)Transfer function (dB)500 Hz, inner arc directivity , (dB)Transfer function (dB)500 Hz, outer arc directivity , (dB)Tran

33、sfer function (dB)62Copyright Hi-keyTechnologies分析步驟 2 聲輻射 載荷工況1: 車窗下方地板施加點力載荷 200 Hz, SPL (dB)200 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)63Copyright Hi-keyTechnologies計算統(tǒng)計 分析步驟 1, 振動聲學計算內(nèi)存 = 1200 MBCPU = 4 CPU Linux 64 bits電腦，2分鐘/分析頻率100 個頻率 3 小時 20 分鐘 分析步驟 2, 聲輻射內(nèi)存 = 680 MBCPU

34、 = 4 CPU Linux 64 bits電腦，20秒/分析頻率100 個頻率 30 分鐘 備注: 所有的計算，都是使用多載荷工況計算。載荷工況數(shù)的增加，對計算時間的影響甚微。64Copyright Hi-keyTechnologies展望 對結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)化分析 激勵方式的選擇: 力學載荷, 內(nèi)置的湍流邊界層激勵, 隨機載荷, CFD計算得到的空氣動力性載荷 隔聲量、降噪指數(shù)研究(NR) 結(jié)合模態(tài)方法計算 與其他結(jié)構(gòu)軟件的聯(lián)合仿真: NASTRAN, ANSYS, ABAQUS, etc.Copyright Hi-Key TechnologiesB型地鐵車輛整車隔聲性能研究型地鐵車輛整車隔聲性能研究66Copyright Hi-keyTechnologiesB型地鐵車輛整車隔聲性能分析研究型地鐵車輛整車隔聲性能分析研究 隨著旅客對公共交通工具乘坐舒適性的要求提高，噪聲作為舒適性中的一個重要指標越來越受到運營公司和工程設計人員的重視。 在國內(nèi)車輛噪聲控制中，考慮到控制方法實施的可行性，