ACTRAN——声学模拟专家

  一、概述

  ACTRAN是比利时FFT公司的产品。ACTRAN除了包含其他计算声学软件的全部特征之外,还包含了许多独特的技术优势:声波在非均质运动流体中的传播;模态坐标与物理坐标相结合,可以快速模拟复杂结构的声学问题;对有回响和无回响空间的模拟;声音通过复合材料的传输和吸收;流固耦合效应对声音传播的影响;真实的边界条件和激励,包括声衬边界条件、扩散声场激励、湍流边界层激励、顶棚落雨激励、随机运动学激励和动力学激励。

  ACTRAN的计算速度完全超出人们对传统有限元法的想象,对典型的声辐射问题,ACTRAN比边界元法快10倍以上。ACTRAN内部包含了丰富的求解器,可以分别适用于大内存、小内存、共享内 存多处理器以及分布式多处理器的机群,确保在各种条件下都可 以获得最佳的计算效率和并行加速比。

  而基于有限元技术的ACTRAN非常适合于模拟各种复杂的声振 耦合问题,图1是扬声器鼓膜在1600Hz时的变形,图2是在不同阻 尼条件下传递函数(功率与激励之比)。

  ACTRAN基于有限元技术,与其他有限元程序保持了内在的 一致性,因此容易与其他主要的CAE工具集成和耦合。ACTRAN 具有NATRAN、ABAQUS和ANSYS等有限元程序的接口,可以导入这些程序的振动激励和模态模型。ACTRAN也可以导入主流CFD程序(如Fluent、Star-CD、Star-CCM、Powerflow和CFX)的计算结 果,作为流动声源或统计非均质流动效应。而ACTRAN还与主流 的有限元前后处理工具(如I-DEAS Master Series、MSC.Patran 和Hypermesh)直接无缝集成,用户可以使用这些工具的标准功 能以及具有同样风格的对话框和图标菜单。

  FFT公司针对各种不同的问题定制了一系列专业化的模拟工具,确保我们所提供的解决方案与用户声学设计的需要相匹配。 本文将详细介绍ACTRAN软件家族所包含的能够满足不同需要的专 业工具,如图3所示。

  二、高效率的声辐射和声传播模拟软件ACTRAN Acoustics

  1.介绍

  ACTRAN Acoustics是ACTRAN软件系列的基础,它既可以单独 使用,又是其他高级工具(如ACTRAN Vibro-Acoustics、ACTRAN Aero-Acoustics和ACTRAN TM)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、高鲁棒性和高效率的 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,可以轻而易举地分析空腔中的声场。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。ACTRAN Acoustics特别适合于声辐射分析,可以高效率地完成系统级的 辐射噪声分析,比如大型柴油发动机系统的辐射声场,如图4所 示。ACTRAN Acoustics还提供了分析管道中声传播的强大功能, 可以用来设计进气和排气管路,以及在建筑物、飞机和汽车中 的空气分配系统。

  而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,ACTRAN能够精确统计消声器的温度梯度效应, 如图5和图6所示。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。

  2.ACTRAN Acoustics的典型应用

  ◎振动结构的声辐射:传动系、发动机部件(油底壳、进气歧管、空气过滤器和阀盖)、发动机系统、压缩机、电机以 及扬声器等;

  ◎进气和排气噪声:包括复杂的消声器;

  ◎在汽车、火车和飞机乘客舱内部的声音吸收;

  ◎在非均质、具有温度梯度等复杂流体介质中的声传播;

  ◎听觉设备,如电话、助听器及声学仪器。

  ACTRAN Acoustics在进行系统级噪声分析时,可以分析各个 部件对辐射声功率的贡献,如图7、图8所示。而对于复杂的进排 气系统,直接用有限元法模拟整个系统是困难的,ACTRAN提供了专门针对进排气系统的传递矩阵法,它既可以包含管部件,也可以包含向外辐射噪声的壳部件,并且对官部件和壳部件的形状没有任何限制,既突破了传统有限元对分析规模的限制,又突破了传统矩阵传递法对管截面形状的限制,如图9所示。

  三、高级振动声学模拟软件ACTRAN Vibro- acoustics

  1.介绍

  ACTRAN Vibro-accoustics建立于ACTRAN accoustics之 上,ACTRAN Vibro-accoustics提供丰富单元库、材料库、边界 条件以及激励类型、求解方法和求解器。

  用户可以在ACTRAN中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)。ACTRAN支持不一致网 格,如图10所示,风挡和乘客舱分别划分网格,在几秒钟之内就 可以被结合在同一个模型之中,以便取得最真实的结果。

  ACTRAN Vibro-accoustics可以从大多数有限元程序中导入表达结构模型的模态,模态模型的引入将大幅减低声振耦合问题的求解时间,使ACTRAN可以模拟更为复杂的工程结构。ACTRAN Vibro-accoustics可以在振动声学模型上施加真实的工作条件,包括声学、运动学、动力学边界条件,以及扩散声场、湍流边界层等。而ACTRAN Vibro-accoustics与ACTRAN Aero-accoustics相结合,还可以实现对最复杂的气动、振动声学问题的综合模拟。用户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。消声器模型包含内部和外部声学模型与柔性结构的耦合,如图11所示。

  2.ACTRAN Vibro-accoustics的典型应用

  ◎汽车:与传动系、进排气、乘员舱、装饰件、软管、车窗、风挡、音响及HAVC相关的噪声问题;

  ◎航空:通过驾驶舱和机身的声传播、在空气分配中系统的声传播,以及湍流边界层激励的响应;

  ◎航天:起飞时火箭有效载荷的动态响应、雷达和天线等部件的声疲劳,以及仪器舱的减振降噪设计;

  ◎航海:水下声传播、声纳;

  ◎消费类产品:电话、耳机、扬声器、磁盘驱动器、洗衣机、冰箱以及照相机等。

  四、系统级装饰件噪声模拟工具ACTRAN for NASTRAN

  1.介绍

  ACTRAN for NASTRAN是结合了ACTRAN和NASTRAN技术优势的振动声学软件,它将NASTRAN融入到ACTRAN之中,这样就可以在声学分析时利用NASTRAN的超单元特性。

  ACTRAN Vibro-Acoustics是模拟复杂声振系统,特别是装饰部件的强大工具。这些装饰部件通常用具有很强吸音性能的高阻尼材料制成,因而对结构的总体声振特性有着重要的影响,考虑高阻尼效应需要使用物理坐标。NASTRAN是轻阻尼结构和空腔声振分析的参考工具,它的特色在于高效率地模态分析求解,因此非常适合处理汽车白车身、飞机机身这样的大模型,NASTRAN模型通常可以在模态坐标下使用。

  ACTRAN for NASTRAN为CAE工程师提供了将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。为了兼顾了精度和效率,FFT开发了革命性的混合方法,基于这些混合方法,模态和物理方法的优势被综合起来,而它们的缺点被回避了。白车身模型与内饰件的耦合,如图12所示。

  2.ACTRAN for NASTRAN的典型应用

  ◎将ACTRAN的物理模型和NASTRAN的模态模型结合起来模拟包含装饰件的整个系统,如汽车乘客舱、飞机客舱和船舱等;

  ◎分析部件在真实安装条件下的声音传播。

  五、流动噪声模拟软件ACTRAN Aero -Acoustics

  1.介绍

  ACTRAN Aero-Acoustics是预测湍流噪声的声学有限元软件,ACTRAN Aero-Acoustics从商业CFD程序(如Fluent、Star- CD、StarCCM、Powerflow以及Ensight)的模拟结果中获取流动 声源。约翰-迪尔公司利用ACTRAN分析农林机械噪声,气动噪声源如图13所示。

  完整的模拟过程包含以下三步。

  (1)利用CFD程序完成非定常流动模拟。在每一个时间步,CFD的解(速度、密度和压力场)存储为CFD程序自身的格式或通用的Ensight格式。

  (2)ACTRAN Aero-Acoustics根据第一步的CFD的结果计算流动噪声源,包括将结果从时域转化到频域,并将其从CFD网格插值到声学网格。

  (3)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。美国伟世通选择ACTRAN作为汽车零部件的声学设计工具,声压分布如图14 所示。

  多步方法将带来以下好处:每一部分工作可以由具有不同责任和训练的工程师、部门或公司分别完成;一个CFD模拟结果可以用于不同的声学模拟,如不同的声学处理;声学网格不必像CFD网 格那样在流动结构很小的区域(如边界层区域)细化。

  2.ACTRAN Aero-Acoustics的典型应用

  ◎空调系统(HVAC);

  ◎后视镜噪声;

  ◎机身噪声(起落架、机翼后缘);

  ◎空气分配系统;

  ◎水动噪声。

  六、旋转机械噪声模拟软件ACTRAN TM

  1.介绍

  ACTRAN TM是分析涡轮机械声辐射,以及优化与涡轮机械 辐射噪声相关声学处理部件的工具。由于能够准确计入非均质流对噪声的影响,因此ACTRAN TM能够获得精确的发动机壳体噪声,如图15所示。

  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具有以下排他性的技术优势:

  (1)准确捕捉非均质流动的对流和折射效应,既可以用ACTRAN 计算非均质背景流动,也可以从其他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动提取声源,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、大几何尺寸以及形状复杂的大模型,ACTRAN TM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。分离劈对管道声传播的影响,如图16所示。

  ACTRAN TM不仅用于飞机短舱辐射噪声分析和声衬设计,而且也可用于直升机涡轮进口和出口、以及环境控制系统和APU的声学设计。除此之外,ACTRAN TM也可以用于像计算机冷却系统这 样的非航空应用。而ACTRAN TM与ACTRAN DGM结合,可以求解像发动机排气这样涉及复杂剪切层和温度梯度的复杂问题。

  2.ACTRAN TM的典型应用

  ◎飞机发动机噪声,包括短舱设计;

  ◎管道式冷却系统;

  ◎鼓风机系统;

  ◎直升机涡轮噪声。

  七、发动机排气噪声模拟软件ACTRAN DGM

  1.介绍

  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 发动机排气噪声的排他性工具。

  ACTRAN DGM使用非连续有限元来求解线性化的欧拉方程,能 够预测在复杂物理条件下噪声传播。它特别适合于求解具有二次 空气系统的航空发动机的气动声学问题,它精确统计了强剪切层 流动、温度梯度和非均质平均流动的声传播效应。ACTRAN DGM可 以求解二维、轴对称及三维问题。它具有模拟排气噪声需要的所有边界条件:表达声源的管道模态激励、无反射边界条件,以及 对Myers边界的时域变换来模拟声衬边界条件。背景流动对声音传 播的影响、以入射管道模态的术语定义激励以及无反射边界条件 的使用,确保ACTRAN DGM具有出众的模拟结果,如图17所示。 网格生成简单是ACTRAN DGM的关键优势之一。对于非结构化 网格,它不必遵循有限差分网格的一般性规则。因为单元的阶次是自动调整的,使用非均匀网格(在同一模型中使用非常小的单元和非常大的单元)不会带来性能的降低。此外,同样的网格可 以分析的频率范围比通常的有限元大4倍,模型设计的分析频率为1000Hz,实际可以分析的频率范围为500~2000Hz。

  由于ACTRAN DGM实现了在非连续空间体系求解线性化的欧 拉方程组,这使ACTRAN DGM具有非常优异的并行加速比,因而 可以用其求解非常大的工程问题。

  2.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。

  八、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,如图18所示。

  ACTRAN VI除了具有云图、矢量图和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,能够满 足声学分析对后处理的特殊要求。