机车噪声模拟案例

1、Copyright Hi-Key TechnologiesFFT-ACTRANACTRANACTRAN在列车声学设计中的应用在列车声学设计中的应用2Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在列车声学设计中的应用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3Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN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Virtual Lab）, 比利时LMS公司 VA-ONE，法国ESI公司（由ESI公司收购

2、的Rayon和AutoSEA整合而成） 其中Sysnoise和ACTRAN均由现在的FFT公司Jean-Louis Migeot教授和Jean-Pierre Coyette教授创立4Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN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19992001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、

3、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。5Copyright Hi-keyTechnologiesLocations6Copyright Hi-keyTechnologies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7Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN技术团队与支持技术支持 ACTRAN QQ技

4、术群：121109696 ACTRAN ftp资料库： IP:7 端口号：20 账号与密码均为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 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ACTRAN VibroAcousticsACTRAN AeroAcousticsACTRAN TM消声器空调系统齿轮箱声辐射13Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN VibroAcoustics振动

6、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14Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN AeroAcoustics 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、Mhring 声类比；

7、 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, FWH or BEM)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, John Deere, Brothers, PSA.风扇噪声空调管道与实验结果比较15Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN for NASTRAN 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 Nastr

8、an 完全兼容，支持超单元应用 客户: Ford, Nissan, Rieter, .Trim is everywhereSuperlement couplingFrom BIW to trimmed body16Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN VI 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Model creation and validationAdv

9、anced post-processingFRF Display Tool17Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在列车声学设计中的应用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18Copyright Hi-keyTechnologies列车噪声问题概述列车噪声问题概述 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

10、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。19Copyright Hi-keyTechnologies列车噪声问题概述列车噪声问题概述 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

11、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。20Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在机车行业的应用在机车行业的应用 ACTRAN软件介绍 列车的噪声问题 ACTRANACTRAN在列车声学设计中的应用在列车声学设计中的应用 高速列车气动噪声分析高速列车气动噪声分析 列车车厢振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结构隔声性能研究21Copyright Hi-keyTechnologies气动噪声问题概述气动噪声问题概述 原始结构几何模型与噪声问题描述 ACTRAN

12、Aero-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ACTRAN Aero-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)ACTRAN Aero-acoustics频域分析结果22Copyright Hi-keyTechnologies列车车身模型列车车身模型车身结构网格模型23Copyright Hi-keyTechnologies列车车身气动噪声问题列车车身气动噪声问题 工况说明：【1】列车车身结构如

13、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24Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪声计算流程湍流噪声计算流程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

14、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From CFD to CAA .25Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN / Aero-acoustics 计算原理计算原理 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 Mhring 声类比体声源区域 WsCAA 计算域 W(Actran/AA, FEM)无反射边界 Ge测量面测量点26Co

15、pyright Hi-keyTechnologiesLighthill / Mohring 声类比声类比 Lighthill Analogy 线性声场，流场与声场没有耦合 低马赫数(Ma0.2) 高雷诺数(Re106) 均匀介质声传播 Mohring Analogy 非线性声场，对流影响声场 较强平均流动 高雷诺数(Re106) 非均匀介质声传播27Copyright Hi-keyTechnologiesCFD流场计算网格流场计算网格 怎样构建怎样构建CFDCFD计算网格？计算网格？通过网格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 导入几何模型 生成CFD计算网格2

16、8Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流场计算非定常流场计算Fluent DES Fluent DES 分离涡模拟结果分离涡模拟结果 (V(Vmeanmean=105.555m/s)=105.555m/s) 车身表面压力分布图29Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流场计算非定常流场计算Fluent DES Fluent DES 分离涡模拟计算结果分离涡模拟计算结果 (V(Vmeanmean=105.555 m/s)=105.555 m/s) Turbulent IntensityTurbulent Intensity 30Cop

17、yright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流场计算非定常流场计算Fluent DES Fluent DES 分离涡模拟计算结果分离涡模拟计算结果 (V(Vmeanmean=105.555m/s)=105.555m/s)速度幅值云图速度幅值云图 31Copyright Hi-keyTechnologiesCFD非定常流场计算非定常流场计算Fluent DES Fluent DES 分离涡模拟阻力系数分离涡模拟阻力系数(Cd)(Cd)结果结果 Normalized Drag Coefficient (top) & Its Fourier Transform (botto

18、m)Normalized Drag Coefficient (top) & Its Fourier Transform (bottom) 32Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN/Aero-acoustics 列车车身气动噪声模型列车车身气动噪声模型声学网格声学网格声传播媒质材料声传播媒质材料频域分析模型频域分析模型33Copyright Hi-keyTechnologiesCAACAA声场计算网格声场计算网格 怎样构建怎样构建CAACAA计算网格？计算网格？通过网格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 导入几何模型 生成

19、CFD计算网格34Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域计算区域声学全模型（左图） 声学近场模型（右图）35Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域计算区域声传播区域（左图） 无反射边界（右图）36Copyright Hi-keyTechnologiesCAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域计算区域测量面（左图） 测量点（右图）37Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN -iCF

20、D 提取流动噪声源提取流动噪声源ACTRANACTRAN湍流噪声分析湍流噪声分析 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 iCFDACTRAN iCFD1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3Mohring声类比还需要将CFD流场导入到CAA计算网格上ACTRAN -iCFD38Copyright Hi-keyTechnologiesACTRAN -iCFD 提取流动噪声源提取流动噪声源 Nyquist TheoremNy

21、quist Theorem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 t1/(2fmax)fmax = 5000Hz t0.0001s CFDCFD非定常流场采样非定常流场采样fmin = 1/(Nt) fmax = 1/(2t)f = fmin fmin = 50 Hz fmax = 5000 Hz N = 200, t = 0.0001s39Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）湍流声源分布云图湍流声源分布云图 10 Hz 50 Hz100 Hz 1000 Hz4

22、0Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）声源附近测量点的声压级频率谱线声源附近测量点的声压级频率谱线(SPL in dB, field points1-6)(SPL in dB, field points1-6)41Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （10Hz,10Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）42Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图

23、（20Hz,20Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）43Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （50Hz,50Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）44Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （100Hz,100Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）45Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （200Hz,200Hz,平均流速平均流速380k

24、m/h 380km/h ）46Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （500Hz,500Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）47Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果- -声压级云图声压级云图 （1000Hz,1000Hz,平均流速平均流速380km/h 380km/h ）48Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）近场近场(7m)(7m)测量点声压级频率谱线测量点声压级频率

25、谱线49Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）近场近场(12m)(12m)测量点声压级频率谱线测量点声压级频率谱线50Copyright Hi-keyTechnologiesCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ） 远场测量面(50m)声压级云图 (正俯视图)10Hz 20Hz 50Hz100Hz 200Hz 500Hz51Copyright Hi-keyTechnologies噪声辐射指向性噪声辐射指向性 (50m) (50m)水平面 DD X-Y(左图) 1

26、80o横截面 DD Y-Z(右图) 90oCAA模拟结果模拟结果 （平均流速（平均流速380km/h 380km/h ）52Copyright Hi-keyTechnologies气动噪声问题总结气动噪声问题总结 支持主流支持主流CFDCFD软件的数据格式，包括软件的数据格式，包括Star-CD, Star-CCM+, Fluent, CFX, Star-CD, Star-CCM+, Fluent, CFX, PowerflowPowerflow，AcuSolve, OpenFOAMAcuSolve, OpenFOAM 提取近体流动源项提取近体流动源项( (速度、密度、压力速度、密度、压力)

27、)，体声源意味着更高的精度。，体声源意味着更高的精度。LighthillLighthill声类比声类比( (低速流动低速流动) )及及MhringMhring声类比声类比( (高速流动高速流动) )为为CAACAA分析提供了更多的声源项选分析提供了更多的声源项选择。择。 通过通过CFDCFD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，对通过近体声源提取流动噪声源，对CFDCFD湍流计算的要求明显降低。湍流计算的要求明显降低。 利用利用ACTRANACTRAN的积分插值法，稀疏网格的计算结果

28、与加密网格基本一致。的积分插值法，稀疏网格的计算结果与加密网格基本一致。 ActranActran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。53Copyright Hi-keyTechnologiesACTRANACTRAN在机车行业的应用在机车行业的应用 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Copyright Hi-Key Technologies列车车厢振动声学分析 55Copyright Hi-keyTechnologies介绍 车厢模型长: 4 m，高: 3.12 m，宽

29、: 3 m车身由三层材料组成: 10 mm 厚铝, 10 mm 厚多孔材料, 10 mm 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: 5 Hz 500 Hz, 频率步5 Hz 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)56Copyright Hi-keyTechnologies模型介绍 - 1 车身结构: 车窗: 车门: 车厢空间: 外层: 铝, 10 mm中间层: 多孔材料, 10 mm内层: 塑料, 10 mm单层: 玻璃, 30 mm单层: 钢, 30 mm空气57Copyr

30、ight Hi-keyTechnologies 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 - 258Copyright Hi-keyTechnologies分析步骤 1 Structure and inner cavity 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 110235

31、00 Hz, directivity, (dB)Transfer function (dB)Microphone 1, frequency response function, (dB)Transfer function (dB)59Copyright Hi-keyTechnologies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300 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)1102360Copyright Hi-keyTechnologies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

32、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61Copyright Hi-keyTechnologies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123128布置两组远场场点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分析步骤 2 声辐射 载荷工况1: 车窗下方地板施加点力载荷 200 Hz, SPL (dB)200 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)500 Hz, SPL (dB)63Copyright Hi-keyTechnologies计算统计 分析步骤 1, 振动声学计算内存 = 1200 MBCPU = 4 CPU Linux 64 bits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 = 680 MBCPU

34、 = 4 CPU Linux 64 bits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。64Copyright Hi-keyTechnologies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.Copyright Hi-Key TechnologiesB型地铁车辆整车隔声性能研究型地铁车辆整车隔声性能研究66Copyright Hi-keyTechnologiesB型地铁车辆整车隔声性能分析研究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，