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ACTRAN 聲學模擬專家

1. ACTRAN軟件在計算聲學領域的技術優勢

ACTRAN軟件是比利時FFT開發的聲學軟件,ACTRAN軟件已經覆蓋聲學、振動聲學、流動聲學等領域。

1.1 聲學數值方法的發展

目前聲學數值仿真方法有邊界元、有限元與統計能量法三種。由于網格劃分技術以及計算機內存的限制,邊界元方法在上世紀60年代得到應用。邊界元方法能夠降低分析問題的維度,并進而減少模型自由度。但是由于邊界元方法形成的線性方程組的系數矩陣是滿陣,在處理大規模問題時計算速度極慢,不再適合工程應用。一般來說邊界元方法適合于處理小規模問題,而在航空聲學問題上,由于模型規模大、自由度數量眾多,邊界元方法不再適用。

統計能量分析方法是應用統計的觀點,從能量的角度來分析復雜結構在外載荷作用下的響應。它運用能量流關系式對復合的、諧振的復雜結構進行動力特性、振動響應及聲輻射的模擬和預測。受到計算機硬件水平的制約,統計能量法在上世紀七、八十年代在航空領域得到廣泛應用。該方法在某種程度上忽略了復雜結構的具體細節,計算得到的是空間與頻域上的平均值,給工程師提供的信息相當有限,并且受統計能量法理論基礎的制約,計算精度較差。

聲學數值仿真和優化CAE技術的最新進展表現隨著計算機硬件水平的進步與高性能算法的改進和創新,有限元技術得到國際上越來越多的認同,在工程上已經成為排他性的工具。近十年來,有限元方法成為國際航空、船舶、艦艇、汽車領域制造商的首選。

1.2 ACTRAN在聲學數值方法的優勢

ACTRAN軟件創始人Dr. Jean-Pierre Coyette、Dr. Jean-Louis Migeot是國際噪聲仿真計算領域的領軍人物,在歐盟合作框架下參與了噪聲理論與仿真分析工程應用研究,走在學術的最前沿。ACTRAN軟件基于有限元和無限元技術,用統一的方法模擬流動噪聲、振動噪聲及聲傳播問題,可計算遠場聲學響應,獲得頻譜曲線和指向性曲線等。ACTRAN代表著目前計算聲學的最先進技術,并在航空氣動聲學、船舶螺旋槳、水下聲納、輪胎噪聲、磁懸浮列車、高鐵等高難度、異常復雜的工程問題上得到驗證與廣泛應用。其提供了領先的MUMPS 求解器以及基于求解域并行或頻率并行等多線程處理能力,計算聲場時不受頻率范圍的限制,為有限元方法的應用拓寬了道路。

2. ACTRAN功能特性

在過去用能量統計法和邊界元法分析時,工程師們必須對模型做出很多簡化。這些模型大多忽略了很多重要的因素及參數,如:精確外形、結構材料的非均質性、隔音層材料的非均質性、多層復合結構、加強筋等。這將導致模擬過程更多的依賴于試驗。

基于有限元法的聲學計算軟件ACTRAN,為工程師深入細致研究這些真實模型中的復雜因素提供了可能。經過FFT(Free Field Technologies)公司在有限元/無限元技術上持續開發和投入,以及在世界領先飛機制造商、船舶和汽車的實際工程應用,使FFT公司在對氣動噪聲模擬方面,無論是軟件技術還在建模經驗都處于行業領先水平。下文將對ACTRAN的功能特性進行詳細介紹。

2.1 高效率的聲輻射和聲傳播模擬軟件——ACTRAN Acoustics

ACTRAN Acoustics是軟件基礎模塊,具備基礎聲學分析功能,ACTRAN軟件系列的基礎,它既可以單獨使用,又是其它高級工具ACTRAN Aero-Acoustics、ACTRAN TM、ACTRAN DGM要求配置的基礎軟件。

ACTRAN Acoustics包含了許多排他性聲學模擬能力,既可以模擬簡單的部件,也可以模擬復雜的系統。ACTRAN Acoustics的聲學模擬能力得益于FFT公司具有排他性、高魯棒性、高效率的聲學有限元和無限元庫及求解技術。

ACTRAN Acoustics同時提供模態方法和物理方法,因而可以輕而易舉的分析空腔中的聲場。吸音壁面可以用阻抗邊界條件和多孔材料模型加以詳細模擬。

對非均質流動和溫度梯度效應的處理是ACTRAN Acoustics的重要特色之一。除此之外,還包含了處理粘熱效應的特殊單元,這對聲波在窄通道和薄空腔中的傳播特別重要,典型的應用如助聽器、聲納陣面板等。ACTRAN Acoustics能夠研究飛機乘客艙、駕駛艙及管道系統等聲傳播,獲得內部聲場。

ACTRAN Acoustics的典型應用:渦輪機械、環控系統、乘客艙、管道系統、傳動系、發動機部件(油底殼、進氣岐管、空氣過濾器、閥蓋)、發動機系統、壓縮機、電機、揚聲器及聽覺設備等。

圖2.1  ACTRAN/ACOUSTICS典型應用

2.2 高級振動聲學模擬軟件——ATRAN Vibro-Acoustics

ACTRAN Vibro-Acoustics是當今最完備的振動聲學模擬軟件。ACTRAN Vibro-Acoustics建立于ACTRAN Acoustics之上,ACTRAN Vibro-Acoustics提供豐富單元庫、材料庫、邊界條件和激勵類型、求解方法和求解器,因而被要求最為嚴格的工程師和研究人員用來模擬當今最有挑戰性的振動聲學設計問題。

在ACTRAN中可以利用它豐富的材料庫建立結構模型。事實上,ACTRAN不僅提供表達聲學和粘彈性介質等常規材料,而且還包含許多特殊模型,用于表達多孔和不可壓縮性介質、復合材料以及主動單元部件(包括壓電陶瓷)。所有的材料可以結合在一個模型中,這樣就可以取得最真實的結果。

可以選擇在物理坐標和模態坐標下的求解聲振耦合模型或非耦合模型,既可以在頻域求解頻率響應函數,也可以在時域求解結構的瞬態響應。高效率的線性方程求解器和并行處理能力可以使您在聲學設計時求解工業規模的問題。

圖2.2  ACTRAN/VIBRO-ACOUSTICS典型應用

2.3 系統級裝飾件噪聲模擬工具——ACTRAN for NASTRAN

ACTRAN for NASTRAN是結合了ACTRAN和NASTRAN所有技術優勢的高級振動聲學軟件,它建立在功能強大ACTRAN Vibro-Acoustics和NASTRAN之上,二者不是通過接口,而是將NASTRAN融入到ACTRAN的血液之中,這樣就可以在聲學分析時利用NASTRAN的超單元特性。

ACTRAN for NASTRAN給CAE工程師提供了將兩種領先的技術——ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模態模型結合在一起方法。ACTRAN for NASTRAN使模擬包含所有裝飾件的整車成為可能。

   

圖2.3 ACTRAN for NASTRRAN典型應用

2.4 流動噪聲模擬軟件——ACTRAN Aero-Acoustics

ACTRAN Aero-Acoustics是預測流動噪聲的聲學有限元軟件。ACTRAN Aero-Acoustics采用混合方法求解流動噪聲問題,即從商業CFD程序如Fluent、Star-CD、CFX、StarCCM+、Powerflow、Ensight等的模擬結果獲取流動聲源。

完整的模擬過程包含以下五步,如圖2.4所示:

圖2.4  ACTRAN/AERO-ACOUSTICS分析步驟

(1)利用CFD程序完成非定常流動模擬。

(2)將每一個時間步CFD的解(速度、密度、壓力場)存儲為CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

(3)ACTRAN Aero-Acoustics根據領先的步的CFD的結果計算流動噪聲源。這包括將流場結果按照Lighthill聲類比或Morhing聲類比方法轉換為聲源,并從時域轉化到頻域。

(4)將噪聲源從CFD網格插值到聲學網格,并計算其傳播,得到聲壓、聲速和聲強,以及各種局部量(壓力)和全局(功率)的頻率響應函數。

(5)在ACTRAN/VI中查看結果。

多步方法將帶來以下好處:

(1)每一部分工作由不同的工程師、部門分別完成;

(2)同一CFD模擬結果可以用于不同的聲學模型;

(3)聲學網格不必像CFD網格那樣在流動結構很小的區域細化。

聲輻射和傳播計算。得到聲壓、聲速和聲強,以及各種局部量(壓力)和全局(功率)的頻率響應函數。

ACTRAN Aero-Acoustics的典型應用:APU、環控系統、管道系統噪聲、排氣系統、通風系統、艦船螺旋槳噪聲、空調系統、后視鏡噪聲、水動力噪聲、汽車風噪聲等。

2.5 旋轉機械噪聲模擬軟件——ACTRAN TM

ACTRAN TM是分析旋轉機械及管道輻射噪聲的分析工具。ACTRAN TM提供了渦輪機械噪聲分析所需要的所有高級模擬功能。ACTRAN TM具有以下獨有的技術優勢:

(1)準確捕捉非均質流的對流和折射效應,既可以用ACTRAN計算非均質背景流動,也可以從其它CFD仿真程序導入;

(2)利用ACTRAN TM中的Myers邊界條件,聲襯的影響被精確統計;

(3)可以用入射管道模態來定義聲源,或者根據一組平面的壓力脈取聲源,壓力脈動來自CFD的瞬態計算結果。

聲學CAE的挑戰之一就是處理大馬赫數、大幾何尺寸、形狀復雜的大模型, ACTRAN TM具有包含高級并行處理能力在內的高效率求解技術,只有ACTRAN TM才可以應對這些挑戰。

ACTRAN TM的典型應用:渦輪機械(航空、船舶)、航空發動機噪聲、發動機短艙、管道式冷卻系統、鼓風機系統。

圖2.5  ACTRAN/TM典型應用

2.6 發動機排氣噪聲模擬軟件——ACTRAN DGM

ACTRAN DGM是對ACTRAN TM的最好補充,它可以求解比ACTRAN TM更高的馬赫數和更高的頻率,使ACTRAN DGM成為模擬發動機排氣等噴流噪聲的排他性工具。

ACTRAN DGM使用非連續伽遼金法求解線性化的歐拉方程,能夠預測在復雜物理條件下的聲傳播,這使ACTRAN DGM具有非常優異的并行加速比,因而ACTRAN DGM可以求解非常大的工程問題。它特別適合于求解具有二級空氣系統的航空發動機氣動聲學問題,它精確統計了強剪切流、大溫度梯度的聲傳播效應,ACTRAN DGM模擬排氣噪聲需要的所有邊界條件:表達發動機風扇聲源的管道模態激勵、無反射邊界條件、速度邊界、導納條件、聲襯邊界條件以及反映安裝效應的Thompson邊界條件等。

ACTRAN DGM的典型應用:渦輪排氣噪聲、大型渦輪進氣噪聲、所有涉及非均質平均流動效應的聲傳播問題。

圖2.6  ACTRAN/DGM典型應用

2.7 功能強大的前后處理工具——ACTRAN VI

ACTRAN VI是專業聲學前后處理軟件,它可以完成分析任務的生成、編輯等前處理任務。與傳統的有限元程序的使用流程相同,易于被工程師接受和理解,操作方便,同時提供腳本文件編輯功能,用戶可以不需要啟動軟件前處理界面就可以直接在文本文件中添加與修改求解參數,并提交計算。支持邊界條件的可視化,支持在做前處理時可以直接查看如梁單元方向、施加載荷的位置和方向等。

ACTRAN VI除了具有云圖、矢量圖、數據報告等通用后處理功能外,還具有瀑布圖、多工況曲線圖等后處理能力,滿足聲學分析對后處理的特殊要求。支持以動畫的形式展示結果,通過設置的場點,可以描繪出聲學指向性曲線,指向性曲線可以快速找到室內噪聲輻射較大的方向位置,方便找出聲源。還可以將場點、節點的頻譜曲線結果轉換為聲音文件,讓使用者聆聽通過仿真預測到的聲音。

圖2.7  ACTRAN/VI



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