ProNas振動噪聲分析

安世亞太

2019年11月15日 15:23

瀏覽：2612 評論：2

隨著汽車、船舶、高鐵動車、軌道車輛、商用飛機、起重機械等交通運輸工具和風電機組、家用電器、航天器等振動噪聲。仿真模型的日益精細和龐大，現代噪聲、振動及舒適性（NVH）仿真計算及驗證領域面臨著計算效益（包括精度、速度及穩定性等綜合指標）的極大挑戰。

傳統的以有限元（FEA）、邊界元（BEA）、統計能量分析（SEA）等算法為基礎而發展起來的商用軟件工具，在計算效益上存在不足和瓶頸，很難滿足來自噪聲振動工程界及學術科研的越來越復雜、精細及多學科綜合解析優化的工程設計和技術發展需求。

ProNas軟件是能量有限元分析（EFEA）和統計能量分析（SEA）領域的代表性解決方案。ProNas 混合EFEA-SEA 技術和基于能量有限元法的工程開發與應用，代表著振動噪聲工程界新一代的前沿技術，破解了傳統能量有限元技術很難廣泛和深入應用于實際工程項目的困局。

基于能量有限元理論進行中高頻計算，天然具有建模靈活、計算效率高的優勢，其理論本身還具有寬泛的阻尼和耦合強度適用范圍，和隨之帶來的簡單易學的用戶操作界面，非常適用于結構聲學問題的可行性研究、靈敏度分析及優化設計等。

能量有限元-統計能量混合模塊涉及的基本變量是平均的能量或能量密度，既可以快速建模預測及優化振噪特性，也可以直接使用現有普通有限元網格進行中高頻振動的分析和模擬，從而大大節省工程設計人員的建模時間，使工程人員在設計初期能夠有效地進行工程預測和優化。

基于能量有限元的中高頻噪音計算流程，由于采用了有限元為載體進行高頻噪音計算，與傳統的統計能量法相比，具有先天性的優勢，可破解以下高頻噪音仿真面臨之困境。

目前的EFEA-SEA 混合算法可以有效解決中高頻噪聲振動問題，實現以下功能：

l 整個系統在結構激勵或聲場激勵下廣譜的隨機噪聲振動預測

l 在空氣或水等各種介質中的中高頻輻射聲場的分析和模擬

l 板、殼、梁及聲場之間的各種耦合與聯結

l 板狀結構的中高頻振動分析和模擬

l 板- 板結構( 不同角度，厚度或不同材料參數) 之間的聯結

l 內部聲場( 水或空氣) 的分析和模擬

l 結構與內部聲場( 水或空氣) 之間的耦合

l 結構外表面上的聲音輻射的分析和模擬

l 標準輸入接口：網格輸入數據可采用標準有限元格式

l 智能自動搜索有限元網格模型，創建聲學空腔

l 方便實用的用戶界面和接口

基于能量有限元為基礎的高頻噪音計算流程，由于采用了有限元為載體，與傳統的統計能量法相比，具有以下先天性的優勢：

1、模型重復利用率得到了質的提升，基于振動甚至強度計算的有限元模型可直接用于高頻噪聲計算。

2、可利用結構的邊界網格快速生成幾何空腔或者有限元空腔，即可快速評估空腔的整體聲壓，又可評估空腔中聲壓的準確分布；

3、方便用戶根據精度需求靈活創造自己的聲學模型可在有限元模型上靈活地按實際精確分布噪音控制材料、阻尼材料、不均勻材料、泄露、直達聲場分布載荷等一系列參數，所見即所得，免去了大量簡化歸納及在此過程中產生的工程誤差甚至錯誤。

4、由于擯棄了模態密度等相關概念，免去了計算、測量和仿真結構阻抗的過程，免去判斷SEA 理論假設是否符合的大量工作以及避免了由此產生的錯誤，直接在模型中加載結構加速度載荷即可得到準確的結構噪音載荷及傳遞路徑，是結構噪音計算的里程碑式的進步。

5、直觀顯示結構振動速度、能量及能量密度在結構上的分布。

6、直觀顯示聲腔聲壓級、能量及能量密度在聲腔空間或體單元中的分布。

7、快速直觀地找到結構振動及噪聲輻射的熱點。

8、結構、聲場、聲學材料一并解決；只需簡單粗化的有限元網格，計算效率高。

9、基于以上最新能量有限元-統計能量混合算法的特點，汽車、船舶、高鐵動車、軌道車輛、商用飛機等工業產品均可簡單快捷地運用該方法進行中高頻噪音計算。

汽車案例

船舶案例

高鐵案例

輪胎案例

聲學包， Noise Control Treatment（NCT）,指的是為滿足NVH（Noise Vibration Harshness)性能而設計的聲學材料包裝，例如浮動地板，內飾件吸聲材料，各泄露孔邊堵塞密封等。從成本考慮，實際工程噪音問題的最終解決方案最終幾乎都是通過聲學包的替換和應用來實現，所以，僅僅有好的算法，并不完全能解決實際的工程問題。Biot理論是目前最為成熟可靠的聲學包基礎性能計算方法，雖然計算成本相對較高。課程介紹了聲學材料的九大聲學性能參數，結合這九大參數和Biot理論，使用傳遞矩陣法計算吸隔聲性能參數的計算原理也得到了剖析。

Biot方程

多層層疊材料的傳遞矩陣法示例

ProNAS有著自成體系的聲學包定義和計算邏輯，聲學包針對空氣噪音和結構噪音的作用都被分別體現出來，并通過合理的界面設計，計算效率和費用都得到了非常好的平衡和體現。

ProNAS聲學包計算邏輯簡圖

目前，能量有限元應用最成熟的領域是船舶工程，因為船舶仿真天然具有多艙室、結構強耦合、體積大、結構噪音占主導地位，并且還有單品高成本制造導致無法實驗的特點。如此，傳統中高頻計算方法在其他工業領域勉強可用的局面在船舶工程領域失去了效用，強大的需求促使船舶工業率先在先進算法工業應用取得了突破性進展。近日，我在仿真秀APP獨家首發的《ProNAS高頻噪音分析系列精品課6講》課程總結了船舶的結構特點，主要噪音載荷和傳遞路徑，具體給出了目前船舶噪音計算的難點和痛點，并且給出了基于能量有限元的解決方案。