汽车风噪声解决方案

汽车风噪声解决方案及其应用报告人：张吉健北京海基嘉盛科技有限公司2015年8月18日手机：[phone]，邮箱：[e-mail]风噪仿真解决方案风噪声研究背景风噪仿真分析案例海基声学事业部简介报告内容汽车噪声源分析结构声源气动声源风噪声源分析风噪声控制的趋势——FromJ.D.Power风噪声改善方法•车身气动性能优化–A柱–后视镜–隐藏式雨刮–隐藏式天线–……•车身隔声性能优化–车门、车窗密封系统–风挡、侧窗玻璃增厚–车身密封–……1.如何认识风噪声与车身外形的关系？2.如何预测车内声学响应以优化车身隔声性能？风噪仿真解决方案风噪声研究背景风噪仿真案例海基声学事业部简介报告内容计算气动声学（CAA）•有许多策略解决CAA问题–直接计算–混合方法–半经验模型•在CAA中，主要挑战是CFD–精确求解Navier-Stokes方程–空间和时间分辨率限制在可接受的成本气动声学的难点•非定常特性，气动噪声是流场非定常运动所引起的，又以声波的形式向远方传播；•气动噪声的频率范围非常宽，可听声的频率范围大约为：20~20000Hz，人耳最敏感的频率是1000~5000Hz；•流场尺度相差极大，相对于传统的动力学量，气动噪声的相关物理量非常小，相差3个量级以上；•声场范围比CFD计算的流场范围大很多。Lighthill/Möhring声类比•Lighthill声类比–线性声场，流场与声场没有耦合–低马赫数(Ma0.2)–高雷诺数–均匀介质声传播•Möhring声类比–非线性声场，对流影响声场–较强平均流动–高雷诺数–非均匀介质声传播气动声学分析方法比较特点与不足方法1直接方法CAA方法2混合方法（Actran）方法3混合方法（FW-H、BEM）方法4湍流模型（半经验方法）计算资源最多一般一般最少反射效应√√××声透射结构×√××声波对流体的作用√×××求解类型瞬态瞬态瞬态稳态精确性好好好有限制Actran可进行流动-振动声学一体化分析！TheActransoftwaresuiteActranVibro-AcousticsActranAero-AcousticsActranTMActranAcousticsActranDGMActranVIActranforNASTRAN推荐方案•基于Actran的混合求解方法–第一步：CFD定常分析•提供车身外形修改建议，改善气动性能–第二步：“CFD非定常+Actran”混合求解•车身噪声分布•不同部位声源贡献量•车身隔声性能研究Actran/AA计算步骤CFD软件湍流CFD模拟基本变量压强,速度,密度,……iCFD-将CFD基本量转换为声源-将声源用积分法插值入声学网格-执行傅里叶转换Actran计算iCFD得到声源的传播-导出预设场点的声场云图和声压值Actran/VIActran结果的后处理从CFD结果到声学结果...基于Actran混合求解技术的四大优势•优势一：CFD程序的普适性–Star-CD–Star-CCM+–Fluent–PowerFlow–Openfoam–……以上CFD软件都有和Actran联合仿真预测汽车风噪声的成功案例！基于Actran混合求解技术的四大优势•优势二：气动/振动声学的一体化求解车窗脉动压力分布车窗振动响应与乘客舱声场分布Actran提供结构求解器，模型包含气动声源，同时包含车身结构物理模型！基于Actran混合求解技术的四大优势•优势三：体声源提取方式-不同部位声贡献量评价基于Actran混合求解技术的四大优势•优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标准分析流程–案例1：标致汽车(2005-2010TWPF)–案例2：雷诺汽车(2008-2012AWPF“扩散声场”+TWPF)–案例3：戴姆勒汽车（2012AWPF“体声源”校验）–案例4：大众汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例5：本田汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例6：现代汽车（2014TWPF）风噪声作用机理•车身外部湍流将产生两种形式的声源，真实的噪声应是两者之和：一、湍流自身可以看做体声源(AWPF)：1.后视镜尾涡区域形成的涡旋是噪声源；2.噪声传播的过程中，在侧窗表面发生反射1a；3.部分噪声透过侧窗，传递到车内1b。ActranAero-AcousticsTurbulencesintoOpenFOAM侧视镜下游的涡结构产生湍流湍流噪声的传播与反射1aActranVibroAcoustics噪声通过车窗传递入车内1b侧视镜产生的噪声•车身外部湍流将产生两种形式的声源，真实的噪声应是两者之和：二、湍流同时在侧窗表面形成脉动压力，湍流壁面脉动压力（TWPF）激发侧窗产生振动。volumesourceActranacousticradiationTurbulentWPFAcousticWPFPressurefluctuationsarestoredonthissurfaceActranVibro-acousticmodelStrategy1Strategy2IncompressibleCFDSolverNoiseduetotheTWPFcreatedbytheturbulenceNoiseduetotheAWPFcreatedbythevortexstructures21风噪声分析流程风噪仿真解决方案风噪声研究背景风噪仿真案例海基声学事业部简介报告内容基于Actran混合求解技术的四大优势•优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标准分析流程–案例1：标致汽车(2005-2010TWPF)–案例2：雷诺汽车(2008-2012AWPF“扩散声场”+TWPF)–案例3：戴姆勒汽车（2012AWPF“体声源”校验）–案例4：大众汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例5：本田汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例6：现代汽车（2014TWPF）案例1：标致汽车(2005)设置简化模型，建立方形箱体，一侧壁面是钢板，四个角是多孔材料，内部空气域。载荷：1.使用Actran中TBL载荷方式Corcos模型加载(模拟TWPF)；2.使用Fluent6.1进行流场分析，和Actran联合求解。SteelPlateFluidcavityFibrousfoamCFD计算的激励(FluentLES)VAmodel非稳态Fluent6.1LES计算，不可压缩流。万分之一采样时间步，3000步。结论：1.试验结果与仿真值吻合较好；2.Corcos模型可以部分取代CFD非定常计算(板上面的湍流)。案例1：标致汽车(2010)250.7m振动声学模型—窗•侧窗包含蓝色和粉色的部分，是用于施加TWPF载荷的。•蓝色玻璃四周固支，粉色与红色玻璃通过两个安装点进行位移约束。0.7m振动声学模型—空气•侧窗在半自由空间辐射声波，模拟向车内的声辐射。•使用空气的标准属性。•声场与结构网格是不匹配的。•有限元与无限元结合模拟半自由场。无限元振动声学模型—密封条•考虑了密封条:–1个在大窗户附近–2个在大窗户外侧及2个在内侧•密封条一侧被固定CFD计算•CFD计算参数:–提取时间：0.5s–时间步：4*10-5s•CFD采样时间步与分析频率依据采样定理•计算最小频率2Hz，最大为12500Hz，频率分辨率为2HztNftf121maxCFDTWPFInterpolatedTWPF仿真与试验对比•仿真结果与风洞测试结果对比。基于Actran混合求解技术的四大优势•优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标准分析流程–案例1：标致汽车(2005-2010TWPF)–案例2：雷诺汽车(2008-2012AWPF“扩散声场”+TWPF)–案例3：戴姆勒汽车（2012AWPF“体声源”校验）–案例4：大众汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例5：本田汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例6：现代汽车（2014TWPF）项目目标•侧窗表面承受的压力，导致振动辐射噪声；•压力由两部分载荷构成（1）AWPF（2）TWPF；•使用Actran计算比较这两种压力的传递效率；•模型选择侧窗玻璃。激励和输出•使用三种载荷1.扩散声场激励(DSF)2.湍流边界层激励（TBL），Corcos模型，流速36m/s3.总激励=湍流边界层激励（TBL）+0.1*扩散声场激励（DSF）•声学模型的网格尺度规则–DSF激励=需要捕捉声波波长c/f=340/f–湍流(Corcos)激励=需要捕捉湍流波长Uc/f=36/f辐射声压•比较距离板0.6米远的测点辐射声压功率谱密度响应：–扩散声场载荷小于湍流边界层载荷，但是导致的辐射噪声仍然更高AWPFTWPFAWPF+TWPFMoreCases——雷诺：密封条隔声特性分析•分析步骤–准静态分析–声学分析•计算工况–频率范围500-4000Hz–杨氏模量、阻尼、压缩比率–不同截面形状扩散声场激励边界条件声学有限元/无限元密封条系统密封条有限元模型准静态分析声学分析基于Actran混合求解技术的四大优势•优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标准分析流程–案例1：标致汽车(2005-2010TWPF)–案例2：雷诺汽车(2008-2012AWPF“扩散声场”+TWPF)–案例3：戴姆勒汽车（2012AWPF“体声源”校验）–案例4：大众汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例5：本田汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例6：现代汽车（2014TWPF）Twodifferentsourcemechanismscanbeobserved:•Cylinderwake(especiallyatthevortexsheddingfrequency)•Cylinderwake–leadingedgeinteractionAWPF体声源模型校核分析Acousticsources@1375HzFEMregion基于Actran混合求解技术的四大优势•优势四：国际汽车企业的成功实践，风噪声开发标准分析流程–案例1：标致汽车(2005-2010TWPF)–案例2：雷诺汽车(2008-2012AWPF“扩散声场”+TWPF)–案例3：戴姆勒汽车（2012AWPF“体声源”校验）–案例4：大众汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例5：本田汽车(2012AWPF“体声源”+TWPF)–案例6：现代汽车（2014TWPF）分析模型VolkswagenPassatmodelExteriormodelInteriormodelCFD仿真复杂的外流场立柱产生的涡流后视镜尾流其它不连续处产生的涡流CFD参数仿真软件：OpenFoam湍流模型：DES分析工况：33.3m/s(120km/h)网格要求：车窗附近网格需要细化求解类型：不可压求解时间步：7.5e-5s输出总时间：0.2s根据采样定理，获得最小分析频率为5Hz，分析步为5Hz最大分析频率：6660Hz振动声学模型•选择大众帕萨特车型作为研究对象•提供车身结构、乘客舱声空间和内饰部件的CAD模型•Actran模型包含内部空腔、内饰件、侧窗、密封条。PassatGeometryModelofWindow/SealsCavitywithtrimcomponentsglasstopsealexteriorsealinteriorseal湍流边界层声源计算流程（TWPF）OpenFOAMCFD非稳态不可压求解（压力、速度）ActranVI-前处理网格生成及求解设置ActranICFD-湍流压力脉动插值（CFD网格-声学网）ActranICFD-DFT将TWPF时域量转换为频率量ActranVibroAcoustics振动及声传播计算ActranVI-PostProcessing声压云图、频谱曲线等气动声源计算流程（AWPF）CFD非稳态不可压求解导出CFD体源数据声源区及外声场3D网格及声学前处理设置ActranICFD-计算气动声源DFT将时域转