ACTRAN——聲學模擬專家

2016-11-17 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、概述

ACTRAN是比利時FFT公司的產(chǎn)品。ACTRAN除了包含其他計算聲學軟件的全部特征之外,還包含了許多獨特的技術優(yōu)勢:聲波在非均質運動流體中的傳播;模態(tài)坐標與物理坐標相結合,可以快速模擬復雜結構的聲學問題;對有回響和無回響空間的模擬;聲音通過復合材料的傳輸和吸收;流固耦合效應對聲音傳播的影響;真實的邊界條件和激勵,包括聲襯邊界條件、擴散聲場激勵、湍流邊界層激勵、頂棚落雨激勵、隨機運動學激勵和動力學激勵。

ACTRAN的計算速度完全超出人們對傳統(tǒng)有限元法的想象,對典型的聲輻射問題,ACTRAN比邊界元法快10倍以上。ACTRAN內部包含了豐富的求解器,可以分別適用于大內存、小內存、共享內存多處理器以及分布式多處理器的機群,確保在各種條件下都可以獲得最佳的計算效率和并行加速比。

而基于有限元技術的ACTRAN非常適合于模擬各種復雜的聲振耦合問題,圖1是揚聲器鼓膜在1600Hz時的變形,圖2是在不同阻尼條件下傳遞函數(shù)(功率與激勵之比)。

ACTRAN基于有限元技術,與其他有限元程序保持了內在的一致性,因此容易與其他主要的CAE工具集成和耦合。ACTRAN 具有NATRAN、ABAQUS和ANSYS等有限元程序的接口,可以導入這些程序的振動激勵和模態(tài)模型。ACTRAN也可以導入主流CFD程序(如Fluent、Star-CD、Star-CCM、Powerflow和CFX)的計算結果,作為流動聲源或統(tǒng)計非均質流動效應。而ACTRAN還與主流的有限元前后處理工具(如I-DEAS Master Series、MSC.Patran 和Hypermesh)直接無縫集成,用戶可以使用這些工具的標準功能以及具有同樣風格的對話框和圖標菜單。

FFT公司針對各種不同的問題定制了一系列專業(yè)化的模擬工具,確保我們所提供的解決方案與用戶聲學設計的需要相匹配。本文將詳細介紹ACTRAN軟件家族所包含的能夠滿足不同需要的專業(yè)工具,如圖3所示。

二、高效率的聲輻射和聲傳播模擬軟件ACTRAN Acoustics

1.介紹

ACTRAN Acoustics是ACTRAN軟件系列的基礎,它既可以單獨使用,又是其他高級工具(如ACTRAN Vibro-Acoustics、ACTRAN Aero-Acoustics和ACTRAN TM)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(tǒng)。ACTRAN Acoustics的聲學模擬能力得益于FFT公司具有排他性、高魯棒性和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(tài)方法和物理方法,可以輕而易舉地分析空腔中的聲場。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。ACTRAN Acoustics特別適合于聲輻射分析,可以高效率地完成系統(tǒng)級的輻射噪聲分析,比如大型柴油發(fā)動機系統(tǒng)的輻射聲場,如圖4所示。ACTRAN Acoustics還提供了分析管道中聲傳播的強大功能, 可以用來設計進氣和排氣管路,以及在建筑物、飛機和汽車中的空氣分配系統(tǒng)。

而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,ACTRAN能夠精確統(tǒng)計消聲器的溫度梯度效應, 如圖5和圖6所示。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。

2.ACTRAN Acoustics的典型應用

◎振動結構的聲輻射:傳動系、發(fā)動機部件(油底殼、進氣歧管、空氣過濾器和閥蓋)、發(fā)動機系統(tǒng)、壓縮機、電機以及揚聲器等;

◎進氣和排氣噪聲:包括復雜的消聲器;

◎在汽車、火車和飛機乘客艙內部的聲音吸收;

◎在非均質、具有溫度梯度等復雜流體介質中的聲傳播;

◎聽覺設備,如電話、助聽器及聲學儀器。

ACTRAN Acoustics在進行系統(tǒng)級噪聲分析時,可以分析各個部件對輻射聲功率的貢獻,如圖7、圖8所示。而對于復雜的進排氣系統(tǒng),直接用有限元法模擬整個系統(tǒng)是困難的,ACTRAN提供了專門針對進排氣系統(tǒng)的傳遞矩陣法,它既可以包含管部件,也可以包含向外輻射噪聲的殼部件,并且對官部件和殼部件的形狀沒有任何限制,既突破了傳統(tǒng)有限元對分析規(guī)模的限制,又突破了傳統(tǒng)矩陣傳遞法對管截面形狀的限制,如圖9所示。

三、高級振動聲學模擬軟件ACTRAN Vibro- acoustics

1.介紹

ACTRAN Vibro-accoustics建立于ACTRAN accoustics之上,ACTRAN Vibro-accoustics提供豐富單元庫、材料庫、邊界條件以及激勵類型、求解方法和求解器。

用戶可以在ACTRAN中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(guī)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)。ACTRAN支持不一致網(wǎng) 格,如圖10所示,風擋和乘客艙分別劃分網(wǎng)格,在幾秒鐘之內就可以被結合在同一個模型之中,以便取得最真實的結果。

ACTRAN Vibro-accoustics可以從大多數(shù)有限元程序中導入表達結構模型的模態(tài),模態(tài)模型的引入將大幅減低聲振耦合問題的求解時間,使ACTRAN可以模擬更為復雜的工程結構。ACTRAN Vibro-accoustics可以在振動聲學模型上施加真實的工作條件,包括聲學、運動學、動力學邊界條件,以及擴散聲場、湍流邊界層等。而ACTRAN Vibro-accoustics與ACTRAN Aero-accoustics相結合,還可以實現(xiàn)對最復雜的氣動、振動聲學問題的綜合模擬。用戶可以選擇在物理坐標和模態(tài)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(shù),也可以在時域求解結構的瞬態(tài)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(yè)規(guī)模的問題。消聲器模型包含內部和外部聲學模型與柔性結構的耦合,如圖11所示。

2.ACTRAN Vibro-accoustics的典型應用

◎汽車:與傳動系、進排氣、乘員艙、裝飾件、軟管、車窗、風擋、音響及HAVC相關的噪聲問題;

◎航空:通過駕駛艙和機身的聲傳播、在空氣分配中系統(tǒng)的聲傳播,以及湍流邊界層激勵的響應;

◎航天:起飛時火箭有效載荷的動態(tài)響應、雷達和天線等部件的聲疲勞,以及儀器艙的減振降噪設計;

◎航海:水下聲傳播、聲納;

◎消費類產(chǎn)品:電話、耳機、揚聲器、磁盤驅動器、洗衣機、冰箱以及照相機等。

四、系統(tǒng)級裝飾件噪聲模擬工具ACTRAN for NASTRAN

1.介紹

ACTRAN for NASTRAN是結合了ACTRAN和NASTRAN技術優(yōu)勢的振動聲學軟件,它將NASTRAN融入到ACTRAN之中,這樣就可以在聲學分析時利用NASTRAN的超單元特性。

ACTRAN Vibro-Acoustics是模擬復雜聲振系統(tǒng),特別是裝飾部件的強大工具。這些裝飾部件通常用具有很強吸音性能的高阻尼材料制成,因而對結構的總體聲振特性有著重要的影響,考慮高阻尼效應需要使用物理坐標。NASTRAN是輕阻尼結構和空腔聲振分析的參考工具,它的特色在于高效率地模態(tài)分析求解,因此非常適合處理汽車白車身、飛機機身這樣的大模型,NASTRAN模型通常可以在模態(tài)坐標下使用。

ACTRAN for NASTRAN為CAE工程師提供了將ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模態(tài)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。為了兼顧了精度和效率,FFT開發(fā)了革命性的混合方法,基于這些混合方法,模態(tài)和物理方法的優(yōu)勢被綜合起來,而它們的缺點被回避了。白車身模型與內飾件的耦合,如圖12所示。

2.ACTRAN for NASTRAN的典型應用

◎將ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模態(tài)模型結合起來模擬包含裝飾件的整個系統(tǒng),如汽車乘客艙、飛機客艙和船艙等;

◎分析部件在真實安裝條件下的聲音傳播。

五、流動噪聲模擬軟件ACTRAN Aero -Acoustics

1.介紹

ACTRAN Aero-Acoustics是預測湍流噪聲的聲學有限元軟件,ACTRAN Aero-Acoustics從商業(yè)CFD程序(如Fluent、Star- CD、StarCCM、Powerflow以及Ensight)的模擬結果中獲取流動聲源。約翰-迪爾公司利用ACTRAN分析農(nóng)林機械噪聲,氣動噪聲源如圖13所示。

完整的模擬過程包含以下三步。

(1)利用CFD程序完成非定常流動模擬。在每一個時間步,CFD的解(速度、密度和壓力場)存儲為CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

(2)ACTRAN Aero-Acoustics根據(jù)第一步的CFD的結果計算流動噪聲源,包括將結果從時域轉化到頻域,并將其從CFD網(wǎng)格插值到聲學網(wǎng)格。

(3)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(shù)。美國偉世通選擇ACTRAN作為汽車零部件的聲學設計工具,聲壓分布如圖14 所示。

多步方法將帶來以下好處:每一部分工作可以由具有不同責任和訓練的工程師、部門或公司分別完成;一個CFD模擬結果可以用于不同的聲學模擬,如不同的聲學處理;聲學網(wǎng)格不必像CFD網(wǎng) 格那樣在流動結構很小的區(qū)域(如邊界層區(qū)域)細化。

2.ACTRAN Aero-Acoustics的典型應用

◎空調系統(tǒng)(HVAC);

◎后視鏡噪聲;

◎機身噪聲(起落架、機翼后緣);

◎空氣分配系統(tǒng);

◎水動噪聲。

六、旋轉機械噪聲模擬軟件ACTRAN TM

1.介紹

ACTRAN TM是分析渦輪機械聲輻射,以及優(yōu)化與渦輪機械輻射噪聲相關聲學處理部件的工具。由于能夠準確計入非均質流對噪聲的影響,因此ACTRAN TM能夠獲得精確的發(fā)動機殼體噪聲,如圖15所示。

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具有以下排他性的技術優(yōu)勢:

(1)準確捕捉非均質流動的對流和折射效應,既可以用ACTRAN 計算非均質背景流動,也可以從其他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(tǒng)計;

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

聲學CAE的挑戰(zhàn)之一就是處理大馬赫數(shù)、大幾何尺寸以及形狀復雜的大模型,ACTRAN TM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(zhàn)。分離劈對管道聲傳播的影響,如圖16所示。

ACTRAN TM不僅用于飛機短艙輻射噪聲分析和聲襯設計,而且也可用于直升機渦輪進口和出口、以及環(huán)境控制系統(tǒng)和APU的聲學設計。除此之外,ACTRAN TM也可以用于像計算機冷卻系統(tǒng)這樣的非航空應用。而ACTRAN TM與ACTRAN DGM結合,可以求解像發(fā)動機排氣這樣涉及復雜剪切層和溫度梯度的復雜問題。

2.ACTRAN TM的典型應用

◎飛機發(fā)動機噪聲,包括短艙設計;

◎管道式冷卻系統(tǒng);

◎鼓風機系統(tǒng);

◎直升機渦輪噪聲。

七、發(fā)動機排氣噪聲模擬軟件ACTRAN DGM

1.介紹

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(shù)和更高的頻率,使ACTRAN DGM成為模擬發(fā)動機排氣噪聲的排他性工具。

ACTRAN DGM使用非連續(xù)有限元來求解線性化的歐拉方程,能夠預測在復雜物理條件下噪聲傳播。它特別適合于求解具有二次空氣系統(tǒng)的航空發(fā)動機的氣動聲學問題,它精確統(tǒng)計了強剪切層流動、溫度梯度和非均質平均流動的聲傳播效應。ACTRAN DGM可以求解二維、軸對稱及三維問題。它具有模擬排氣噪聲需要的所有邊界條件:表達聲源的管道模態(tài)激勵、無反射邊界條件,以及對Myers邊界的時域變換來模擬聲襯邊界條件。背景流動對聲音傳播的影響、以入射管道模態(tài)的術語定義激勵以及無反射邊界條件的使用,確保ACTRAN DGM具有出眾的模擬結果,如圖17所示。網(wǎng)格生成簡單是ACTRAN DGM的關鍵優(yōu)勢之一。對于非結構化網(wǎng)格,它不必遵循有限差分網(wǎng)格的一般性規(guī)則。因為單元的階次是自動調整的,使用非均勻網(wǎng)格(在同一模型中使用非常小的單元和非常大的單元)不會帶來性能的降低。此外,同樣的網(wǎng)格可以分析的頻率范圍比通常的有限元大4倍,模型設計的分析頻率為1000Hz,實際可以分析的頻率范圍為500~2000Hz。

由于ACTRAN DGM實現(xiàn)了在非連續(xù)空間體系求解線性化的歐拉方程組,這使ACTRAN DGM具有非常優(yōu)異的并行加速比,因而可以用其求解非常大的工程問題。

2.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。

八、前后處理工具ACTRAN VI

ACTRAN VI是專業(yè)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,如圖18所示。