ACTRAN 声学模拟专家

1. ACTRAN软件在计算声学领域的技术优势

ACTRAN软件是比利时FFT开发的声学软件,ACTRAN软件已经覆盖声学、振动声学、流动声学等领域,FFT公司是最领先的声学软件供应商和工程咨询服务商。

1.1 声学数值方法的发展

目前声学数值仿真方法有边界元、有限元与统计能量法三种。由于网格划分技术以及计算机内存的限制,边界元方法在上世纪60年代得到应用。边界元方法能够降低分析问题的维度,并进而减少模型自由度。但是由于边界元方法形成的线性方程组的系数矩阵是满阵,在处理大规模问题时计算速度极慢,不再适合工程应用。一般来说边界元方法适合于处理小规模问题,而在航空声学问题上,由于模型规模大、自由度数量众多,边界元方法不再适用。

统计能量分析方法是应用统计的观点,从能量的角度来分析复杂结构在外载荷作用下的响应。它运用能量流关系式对复合的、谐振的复杂结构进行动力特性、振动响应及声辐射的模拟和预测。受到计算机硬件水平的制约,统计能量法在上世纪七、八十年代在航空领域得到广泛应用。该方法在某种程度上忽略了复杂结构的具体细节,计算得到的是空间与频域上的平均值,给工程师提供的信息相当有限,并且受统计能量法理论基础的制约,计算精度较差。

声学数值仿真和优化CAE技术的最新进展表现随着计算机硬件水平的进步与高性能算法的改进和创新,有限元技术得到国际上越来越多的认同,在工程上已经成为排他性的工具。近十年来,有限元方法成为国际航空、船舶、舰艇、汽车领域制造商的首选。

1.2 ACTRAN在声学数值方法的优势

ACTRAN软件创始人Dr. Jean-Pierre Coyette、Dr. Jean-Louis Migeot是国际噪声仿真计算领域的领军人物,在欧盟合作框架下参与了噪声理论与仿真分析工程应用研究,走在学术的最前沿。ACTRAN软件基于有限元和无限元技术,用统一的方法模拟流动噪声、振动噪声及声传播问题,可计算远场声学响应,获得频谱曲线和指向性曲线等。ACTRAN代表着目前计算声学的最先进技术,并在航空气动声学、船舶螺旋桨、水下声纳、轮胎噪声、磁悬浮列车、高铁等高难度、异常复杂的工程问题上得到验证与广泛应用。其提供了最新的MUMPS 求解器以及基于求解域并行或频率并行等多线程处理能力,计算声场时不受频率范围的限制,为有限元方法的应用拓宽了道路。

2. ACTRAN功能特性

在过去用能量统计法和边界元法分析时,工程师们必须对模型做出很多简化。这些模型大多忽略了很多重要的因素及参数,如:精确外形、结构材料的非均质性、隔音层材料的非均质性、多层复合结构、加强筋等。这将导致模拟过程更多的依赖于试验。

基于有限元法的声学计算软件ACTRAN,为工程师深入细致研究这些真实模型中的复杂因素提供了可能。经过FFT(Free Field Technologies)公司在有限元/无限元技术上持续开发和投入,以及在世界领先飞机制造商、船舶和汽车的实际工程应用,使FFT公司在对气动噪声模拟方面,无论是软件技术还在建模经验都处于行业领先水平。下文将对ACTRAN的功能特性进行详细介绍。

2.1 高效率的声辐射和声传播模拟软件——ACTRAN Acoustics

ACTRAN Acoustics是软件基础模块,具备基础声学分析功能,ACTRAN软件系列的基础,它既可以单独使用,又是其它高级工具ACTRAN Aero-Acoustics、ACTRAN TM、ACTRAN DGM要求配置的基础软件。

ACTRAN Acoustics包含了许多排他性声学模拟能力,既可以模拟简单的部件,也可以模拟复杂的系统。ACTRAN Acoustics的声学模拟能力得益于FFT公司具有排他性、高鲁棒性、高效率的声学有限元和无限元库及求解技术。

ACTRAN Acoustics同时提供模态方法和物理方法,因而可以轻而易举的分析空腔中的声场。吸音壁面可以用阻抗边界条件和多孔材料模型加以详细模拟。

对非均质流动和温度梯度效应的处理是ACTRAN Acoustics的重要特色之一。除此之外,还包含了处理粘热效应的特殊单元,这对声波在窄通道和薄空腔中的传播特别重要,典型的应用如助听器、声纳阵面板等。ACTRAN Acoustics能够研究飞机乘客舱、驾驶舱及管道系统等声传播,获得内部声场。

ACTRAN Acoustics的典型应用:涡轮机械、环控系统、乘客舱、管道系统、传动系、发动机部件(油底壳、进气岐管、空气过滤器、阀盖)、发动机系统、压缩机、电机、扬声器及听觉设备等。

图2.1  ACTRAN/ACOUSTICS典型应用

2.2 高级振动声学模拟软件——ATRAN Vibro-Acoustics

ACTRAN Vibro-Acoustics是当今最完备的振动声学模拟软件。ACTRAN Vibro-Acoustics建立于ACTRAN Acoustics之上,ACTRAN Vibro-Acoustics提供丰富单元库、材料库、边界条件和激励类型、求解方法和求解器,因而被要求最为严格的工程师和研究人员用来模拟当今最有挑战性的振动声学设计问题。

在ACTRAN中可以利用它丰富的材料库建立结构模型。事实上,ACTRAN不仅提供表达声学和粘弹性介质等常规材料,而且还包含许多特殊模型,用于表达多孔和不可压缩性介质、复合材料以及主动单元部件(包括压电陶瓷)。所有的材料可以结合在一个模型中,这样就可以取得最真实的结果。

可以选择在物理坐标和模态坐标下的求解声振耦合模型或非耦合模型,既可以在频域求解频率响应函数,也可以在时域求解结构的瞬态响应。高效率的线性方程求解器和并行处理能力可以使您在声学设计时求解工业规模的问题。

图2.2  ACTRAN/VIBRO-ACOUSTICS典型应用

2.3 系统级装饰件噪声模拟工具——ACTRAN for NASTRAN

ACTRAN for NASTRAN是结合了ACTRAN和NASTRAN所有技术优势的高级振动声学软件,它建立在功能强大ACTRAN Vibro-Acoustics和NASTRAN之上,二者不是通过接口,而是将NASTRAN融入到ACTRAN的血液之中,这样就可以在声学分析时利用NASTRAN的超单元特性。

ACTRAN for NASTRAN给CAE工程师提供了将两种最好的技术——ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模态模型结合在一起方法。ACTRAN for NASTRAN使模拟包含所有装饰件的整车成为可能。

   

图2.3 ACTRAN for NASTRRAN典型应用

2.4 流动噪声模拟软件——ACTRAN Aero-Acoustics

ACTRAN Aero-Acoustics是预测流动噪声的声学有限元软件。ACTRAN Aero-Acoustics采用混合方法求解流动噪声问题,即从商业CFD程序如Fluent、Star-CD、CFX、StarCCM+、Powerflow、Ensight等的模拟结果获取流动声源。

完整的模拟过程包含以下五步,如图2.4所示:

图2.4  ACTRAN/AERO-ACOUSTICS分析步骤

(1)利用CFD程序完成非定常流动模拟。

(2)将每一个时间步CFD的解(速度、密度、压力场)存储为CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

(3)ACTRAN Aero-Acoustics根据第一步的CFD的结果计算流动噪声源。这包括将流场结果按照Lighthill声类比或Morhing声类比方法转换为声源,并从时域转化到频域。

(4)将噪声源从CFD网格插值到声学网格,并计算其传播,得到声压、声速和声强,以及各种局部量(压力)和全局(功率)的频率响应函数。

(5)在ACTRAN/VI中查看结果。

多步方法将带来以下好处:

(1)每一部分工作由不同的工程师、部门分别完成;

(2)同一CFD模拟结果可以用于不同的声学模型;

(3)声学网格不必像CFD网格那样在流动结构很小的区域细化。

声辐射和传播计算。得到声压、声速和声强,以及各种局部量(压力)和全局(功率)的频率响应函数。

ACTRAN Aero-Acoustics的典型应用:APU、环控系统、管道系统噪声、排气系统、通风系统、舰船螺旋桨噪声、空调系统、后视镜噪声、水动力噪声、汽车风噪声等。

2.5 旋转机械噪声模拟软件——ACTRAN TM

ACTRAN TM是分析旋转机械及管道辐射噪声的分析工具。ACTRAN TM提供了涡轮机械噪声分析所需要的所有高级模拟功能。ACTRAN TM具有以下独有的技术优势:

(1)准确捕捉非均质流的对流和折射效应,既可以用ACTRAN计算非均质背景流动,也可以从其它CFD仿真程序导入;

(2)利用ACTRAN TM中的Myers边界条件,声衬的影响被精确统计;

(3)可以用入射管道模态来定义声源,或者根据一组平面的压力脉取声源,压力脉动来自CFD的瞬态计算结果。

声学CAE的挑战之一就是处理大马赫数、大几何尺寸、形状复杂的大模型, ACTRAN TM具有包含高级并行处理能力在内的高效率求解技术,只有ACTRAN TM才可以应对这些挑战。

ACTRAN TM的典型应用:涡轮机械(航空、船舶)、航空发动机噪声、发动机短舱、管道式冷却系统、鼓风机系统。

图2.5  ACTRAN/TM典型应用

2.6 发动机排气噪声模拟软件——ACTRAN DGM

ACTRAN DGM是对ACTRAN TM的最好补充,它可以求解比ACTRAN TM更高的马赫数和更高的频率,使ACTRAN DGM成为模拟发动机排气等喷流噪声的排他性工具。

ACTRAN DGM使用非连续伽辽金法求解线性化的欧拉方程,能够预测在复杂物理条件下的声传播,这使ACTRAN DGM具有非常优异的并行加速比,因而ACTRAN DGM可以求解非常大的工程问题。它特别适合于求解具有二级空气系统的航空发动机气动声学问题,它精确统计了强剪切流、大温度梯度的声传播效应,ACTRAN DGM模拟排气噪声需要的所有边界条件:表达发动机风扇声源的管道模态激励、无反射边界条件、速度边界、导纳条件、声衬边界条件以及反映安装效应的Thompson边界条件等。

ACTRAN DGM的典型应用:涡轮排气噪声、大型涡轮进气噪声、所有涉及非均质平均流动效应的声传播问题。

图2.6  ACTRAN/DGM典型应用

2.7 功能强大的前后处理工具——ACTRAN VI

ACTRAN VI是专业声学前后处理软件,它可以完成分析任务的生成、编辑等前处理任务。与传统的有限元程序的使用流程相同,易于被工程师接受和理解,操作方便,同时提供脚本文件编辑功能,用户可以不需要启动软件前处理界面就可以直接在文本文件中添加与修改求解参数,并提交计算。支持边界条件的可视化,支持在做前处理时可以直接查看如梁单元方向、施加载荷的位置和方向等。

ACTRAN VI除了具有云图、矢量图、数据报告等通用后处理功能外,还具有瀑布图、多工况曲线图等后处理能力,满足声学分析对后处理的特殊要求。支持以动画的形式展示结果,通过设置的场点,可以描绘出声学指向性曲线,指向性曲线可以快速找到室内噪声辐射较大的方向位置,方便找出声源。还可以将场点、节点的频谱曲线结果转换为声音文件,让使用者聆听通过仿真预测到的声音。

图2.7  ACTRAN/VI