发动机辐射噪声集成解决方案

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1、 发动机辐射噪声集成解决方案发动机辐射噪声集成解决方案 LMS Virtual.Lab 发动机辐射噪声很长时间以来都是发动机辐射噪声很长时间以来都是 LMS 关注的一个焦点。关注的一个焦点。 LMS 已开发了很多专用 技术，比如网格粗糙化和声学传递向量（ 已开发了很多专用 技术，比如网格粗糙化和声学传递向量（ATVs）, 改进了分析结果的品质，并且加快了分析过程。改进了分析结果的品质，并且加快了分析过程。LMS Virtual.Lab 数字发动机声学的激励力可以用数字发动机声学的激励力可以用 Virtual.Lab Motion 进行多体动力学仿真分析得到，也可以 从外部程序的仿真计算得出，还

2、能从试验测量数据中获取。利用多体动力学载荷数据和结构模型，可以对 多工况下的结构表面振动进行评估，进而预测结构的辐射噪声。进行结构辐射噪声预测的整个过程被模块 化地分为几个阶段，在每个阶段里客户都可以对发动机的设计进行评估或改进。 进行多体动力学仿真分析得到，也可以 从外部程序的仿真计算得出，还能从试验测量数据中获取。利用多体动力学载荷数据和结构模型，可以对 多工况下的结构表面振动进行评估，进而预测结构的辐射噪声。进行结构辐射噪声预测的整个过程被模块 化地分为几个阶段，在每个阶段里客户都可以对发动机的设计进行评估或改进。 发动机辐射噪声仿真过程的第一阶段是确定载荷，像轴承载荷、燃烧爆发压力等

3、。在第 二阶段是仿真计算结构振动。从这些振动的计算结果分析中，客户可以评估、分析声功率密 度，并可以进行总声功率的频程和阶次分析。第一次基于振动结果的评估，能向客户提供发 动机上较大辐射噪声面的可靠位置。 该方案的求解器利用独特且有效的 ATV（声学传递向量）技术。它可以快速分析多转速 工况；另外当分析多个设计方案时，它还可以加快重新运算速度。 从基于结构表面振动的结果中，可以预测总辐射噪声和在预定义位置处的声压级，并使整个 发动机噪声辐射预测过程从几个月减少到一天。 根据噪声辐射预测结果，客户可以利用 ISO3744 场点网格计算总的辐射声功率，分析在 激励力作用下的声学灵敏性，并利用一组清

4、晰的可视化工具查看得到的声压级。 在设计初期利用这些噪声仿真结果的细节，就可以在基本发动机定型之前优化设计外部 的筋、油底壳、螺栓布置等，使设计领先于同类产品。Virtual.Lab 提供了各种工具用来分析 噪声产生的原因，并帮助客户找出合适的设计方案。 发动机辐射噪声预测过程发动机辐射噪声预测过程 载荷确定 利用 Virtual.Lab Motion 进行发动机的多体动力学仿真，可以得到精确的载荷结果，该多 体动力学仿真模型包括柔性体如曲轴，并可以定义加速工况。另外也可以从具有相同功能的 软件分析结果中得到所要施加的激励力。Virtual.Lab 提供各种必要的接口用来输入数据，并 把数据转

5、换成与 NVH 分析目的相关的数据格式，如发动机运转速速数据，定转速的频谱或 发动机阶次范围。一般地，发动机原始激励力是时间的函数。利用 Virtual.Lab 里的 FFT 功能 可以将时域上的激励力转换成频域上的函数。 一旦得到基于频率上的精确的载荷数据，LMS Virtual.Lab 接下来的求解方案分为两个阶 段。第一阶段是结构振动分析部分，从结构振动分析结果中，客户可以得到声功率密度、总 的声功率，还可以进行频程和阶次分析，阶次和频程分析是利用表面振动数据进行后处理的 结果。第二阶段是声学分析部分，利用边界元技术可以精确预测发动机辐射噪声。在这个过 程中用到了 ATV（声学传递向量）

6、技术，这样可以大大减少计算时间。 Virtual.Lab 可以将整个处理过程保存下来， 这是一个很大的优点。 客户做不同载荷条件下 或不同发动机设计方案的仿真时，只需按照保存下来的流程进行处理即可，这样可以保证操 作过程无误。 一个典型的流程展示如下： 进行发动机辐射噪声仿真总的准备时间是很快的。利用 LMS 的网格粗糙化技术可以在几 小时内生成粗糙化网格。一旦网格和模态数据全部准备好，准备时间大约只有 30 分钟。 结构网格 一般情况下，结构网格都会包含结构的全部细节特征，像筋或小孔等。这些细节特征对 结构振动的计算仿真是非常重要的，但做声学边界元计算时可以忽略这些结构细节特征。这 样可以显

7、著减少边界元模型的复杂程度和规模尺寸。 结构网格一般都包含壳单元网格和实体单元网格。包含壳单元网格的优点是当需要对壳 体进行修改时，如油底壳的厚度，只需要更改相应的厚度属性，而不必对整个网格进行修改。 结构模型 对结构模型进行仿真计算时，常会产生大量的文件数据。有时会有数个 GB 的数据量。 LMS Virtual.Lab 可以大大缩减结构结果文件的数据总量，并且不影响结构仿真计算的精度。 与仿真计算发动机结构模型的全部节点上的振动不同，在发动机噪声辐射仿真中可以只创建 与 NVH 分析相关的输出点，主要是激励力位置处的点和湿面上的点。生成湿面和设置结构 求解器来处理湿面都是很简单的。 基于模

8、态的强迫响应分析 动力总成的激励力是下面变量的函数： ? 位置：曲轴轴承，燃烧爆发压力，等 ? 发动机工况：不同转速，规定转速或按规定次序的转速 ? 频率：一般从 20Hz 到 3000Hz 或更高 LMS Virtual.Lab 可以输入各种激励力数据，并将数据转换到频域内，保存到 LFS(载荷函 数集)。同样，激励力数据可以直接用 Virtual.Lab Motion 进行发动机多体动力学仿真得到，并 可以直接用到强迫响应分析中。分析载荷数据时可以用分析 NVH 结果显示的工具，像色图 等工具。对多转速工况下的加速激励力数据，Virtual.Lab 可以对激励力数据进行阶次分析。 与全频载

9、荷数据相比，基于阶次分析的激励力数据具有明显的优点，在计算中它只需要用更 少的数据点。 LMS Virtual.Lab 中的强迫响应求解器，可以是基于模态的，也可以是基于 FRF 的。对于发 动机辐射噪声仿真，建议使用基于模态的求解器。发动机辐射噪声仿真计算的准备过程是比 较简单的,客户只需要输入载荷（LFS）和模态数据。如果需要，客户还可以用图形来显示发 动机上被保留的用于振动分析的点。做一个完整的声学分析时，不需要计算结构表面的振动。 实际上 Virtual.Lab Engine Acoustics 利用了模态方法，该方法只需要用模态参与因子。该技术 可以明显减少计算数据，同时并不影响计算

10、精度。一般地，在振动分析过程中，客户只需保 留发动机上少量点的结果数据，用在发动机声学仿真计算中。模态参与因子还可以直接运用 到声学强迫响应分析中（MATV 响应分析） 。 如果客户不想做一个完整的声学分析，只想分析表面振动数据，这也比较简单：可利用 Virtual.Lab 里的组函数功能创建表面和要求输出振动结果的点的组函数。 Virtual.Lab 可以计算 所有工况和所有频率上的组函数。一旦振动强迫响应完成，客户有两个选择：用 BEM 技术 进行的声学分析或分析结构表面的振动数据。无论用 BEM 技术进行更细致的声学分析，还 是分析结构表面的振动数据，这两种选择 Virtual.Lab

11、都支持。 振动数据分析 完成结构的强迫响应计算后， 客户便可以开始分析与整个发动机 NVH 性能有关的结果数 据。实际上尽管没有进行详细的声学仿真，通过分析结构的表面振动数据也可以发现潜在问 题存在的区域，如关键的转速、频率、阶次或结构上辐射噪声较高的位置。在结果数据分析 处理中可以运用各种后处理工具。 另外，对发动机上特殊点的强迫响应分析，也可以创建振动结果数据的 3D 图和进行工作 状态下的分析。在整个频率范围内查看发动机的振动结果，可以让用户发现存在问题的区域。 也可以将振动数据转换为声功率，包括在频带上进行自动积分。积分频带的选择由专用的用 户接口决定。 声功率与法线方向速度关系如下：

12、 网格粗糙化 完成结构振动的仿真计算后，可以选择继续进行声学仿真计算。为了进行声学仿真计算， 需要生成粗糙化网格。要生成一个声学 BEM 网格，首先需要做的是提取实体单元的表面， 得到实体网格内外层上的壳单元，然后需要手动或自动修补开口的孔，之后就可以进行声学 仿真。但是如果将结构上的筋去掉，能使计算时间缩 短几个小时。以往生成声学网格这个过程需要几个人 花费几周的时间才能完成一个完整的动力总成模型。 由于这个过程用时太长，以至在设计过程中不能发挥 有效的作用。Virtual.Labt 提供了一个网格粗糙化工 具，可以让客户在几个小时内完成这份工作，不仅不 需要进行网格清理，而且生成的是一个全

13、新的网格， 网格的属性由客户感兴趣的频率范围决定。例如，将 仿真计算的频率范围上限设置到 2000Hz, Virtual.Lab 将要创建一个以四边形为主的边界元网格，有效频率 到 2000Hz，单元的平均尺寸为 29mm，这满足一个波 长内有六个单元的准则。 仿真完成后也可以检查网格的有效性。计算结果 表明只要满足一个波长内有六个单元的准则，计算精 度就不会受到影响。利用这个准则的另一个优点就是 可以明显缩短计算时间。 ATV 数据库 在完成粗糙化网格后，客户需要在麦克风的位置上定义场点网格。利用 Virtual.Lab 里的 工具可以定义柱面场点网格、平面场点网格、球面场点网格、标准场点网

14、格，等。标准场点 网格可以用于进行声功率的计算。 生成场点网格后，接下来需要计算声传递向量（ATV）数据库。传统的边界元方法把结 构的振动直接定义为声学辐射问题的边界条件，这种方法的缺点是：这些边界条件随着载荷 条件的改变而改变。因此必须针对每一种载荷条件建立不同的求解方案。 LMS Virtual.Lab 利用了 ATV 技术，ATVs 是一种传递函数，该传递函数建立起辐射表面 的结构振动与输出场点处声压级之间的联系。ATVs 取决于几何形状、网格密度、声域内的介 质特性、 声学表面的特征 （阻抗和导纳） 、 频率和场点位置。 ATV 和载荷无关， 这意味着 ATVs 技术特别适合于多工况分

15、析，像发动机加速工况和结构设计参数优化。 该技术在载荷和设计参数变化的仿真计算中显示出巨大的优越性，因为只要不改变有限元模 型的拓扑结构就不需要重新运行求解器。 另一个优点是与结构计算相比，ATVs 计算频带更宽，因为 ATVs 是频率的光滑函数。依 据发动机的几何结构，建议使用 5Hz 到 25Hz 宽的频带。使用大的频带可以节省 BEM 模型的 计算时间。 注意事项：如果客户进行的声学分析只有一种工况，或只为优化一种设计方案，建议使 用高速 BEM 求解器，以加快运算速度。对于典型的发动机计算模型，高速 BEM 求解器使计 算速度明显上升，可以提高 10-50 倍。 通过下面的公式我们得到

16、： 【声压】=【声学传递矩阵】*【表面速度】 表面速度是结构表面的法向速度，因为只有法向速度才能产生声波，因此公式又可写成： 因此声学传递向量就是关于网格表面法向振动与单个麦克风位置处声压间的传递函数。描述 如下： 又结构位移可以写成： 联立方程，得 如果要得到结构模态响应向量和麦克风处（场点）声压的直接关系，用： 模态声学传递向量定义如下： 模态声学传递函数是关于单个结构模态对单个麦克风位置处的声压的贡献的传递函数的组 合。 与 ATVs 相比 MATVs 不能从声学参数计算中得到，还需要掌握振动结构的动力学行为， 特别 是结构模态。整个过程展示如下： ATVs 和 MATVs 的比较 基于 ATV 技术的处理过程有一个巨大的优点，就是在这个过程中可以保存 ATV 数据库， 只要不对声学模型做任何改动，就能重新使用。例如，它可以用在不同的载荷条件，甚至结 构模型可以被一定程度的修改，也不需要重新运行边界元模型，只需重新使用存在的 ATVs。 结构模型被修改后，只需简单地运算数据传递分析，重新计算声学响应，这只是个简单的乘 法运算，不需要矩阵的逆运算。 如果结构的模态从一种工况到