ACTRAN汽车噪声解决方案
上海海基盛元信息科技有限公司
2010 年12月
目录
ACTRAN汽车噪声解决方案 (3)
1.汽车噪声分析的目的和意义 (3)
2.ACTRAN功能特性 (3)
2.1ACTRAN的分析类型 (4)
2.2单元库 (4)
2.3材料库 (6)
2.4激励方式 (8)
2.5预加应力结构 (9)
2.6与结构、流体CAE技术的配合 (9)
3.基于ACTRAN的汽车噪声解决方案 (13)
3.1汽车侧窗噪声模拟 (14)
3.2汽车风挡声学性能模拟 (14)
3.3气动噪声模拟 (15)
3.4进排气系统噪声模拟 (16)
3.5整车声学分析 (18)
附件 A FFT公司简介 (20)
附件 B ACTRAN软件介绍 (21)
高效率的声辐射和声传播模拟软件——ACTRAN Acoustics (21)
高级振动声学模拟软件——ATRAN Vibro-acoustics (22)
系统级装饰件噪声模拟工具——ACTRAN for NASTRAN (23)
流动噪声模拟软件——ACTRAN Aero-Acoustics (23)
旋转机械噪声模拟软件——ACTRAN TM (24)
发动机排气噪声模拟软件——ACTRAN DGM (25)
功能强大的前后处理工具——ACTRAN VI (25)
附件 C 北京海基科技发展有限责任公司 (26)
1.公司简介 (26)
2. 公司架构与人员组成 ................................................................................... 27 3. 公司联系方式 (27)
附件 D Actran 在汽车领域典型客户 (29)
ACTRAN汽车噪声解决方案
1.汽车噪声分析的目的和意义
随着汽车市场竞争的日益激烈和人们对车辆性能的要求越来越高，汽车设计技术得到了飞速的发展。乘客对汽车乘坐舒适性的要求不断提高，促使设计工程师越来越重视在产品设计的早期解决预测汽车内部的噪声，以及汽车辐射噪声引起的声环境污染。这样就可以避免将噪声问题延伸到产品开发的后期，从而最大限度的减少人力、时间和物力的浪费。同时虚拟设计、虚拟试验的产品开发方法在汽车工程中的应用日益广泛，使利用仿真技术在新产品方案设计的优化设计得以实现。
目前汽车的声学特性已经成为衡量车辆舒适性的重要指标。在设计方案确定后，声学软件ACTRAN被用于预测车内及车外的声压、声强的频率响应特性，分析各个部件对声音作用效果的贡献，各种不同装饰件和装饰方案的隔音效果。ACTRAN不仅可以预测现有方案的声学性能，而且可以协助设计工程师迅速找到最佳的隔音减振设计方案以提高汽车乘坐舒适性。
国外先进的汽车生产企业已经广泛利用ACTRAN分析汽车噪声及声学优化设计，典型用户包括宝马、大众、沃尔沃、本田、丰田、通用、福特等。
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车辆内部中很多重要的因素及参数，如：车辆内部的精确外形、隔音层材料的非均质性、多层窗结构、结构加强筋、排气管非均质流体影响等。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，以及在世界领先汽车、船舶和飞机制造商的实际工程应用，使ACTRAN在对汽车噪声模拟方面处于行业领先水平。下文将对
ACTRAN的功能特性进行详细介绍。
2.1ACTRAN的分析类型
（1）声学分析
ACTRAN Acoustics能够研究车厢内的声场、发动机振动辐射噪声、提取声空间模态等，ACTRAN Acoustics还可以直接利用驻波管实验数据，模拟装内饰材料车厢内部声场。
（2）振动声学分析
ACTRAN Vibro-Acoustics模块，支持对车身详细建模，研究振动传递入车内以及声音通过空气对结构的声透射，支持声振耦合问题分析。ACTRAN支持瑞利边界元，对于声透射问题能够更好的进行分析。除此以外ACTRAN for NASTRAN模块支持模态与物理混合方法求解，对整车进行声学分析。支持NASTRAN的超单元应用，精确模拟研究对象的边界条件。
（3）流动声学分析
ACTRAN Aero-Acoustics模块，支持流动声学分析，可以研究汽车外部气动噪声以及内部空调管道内的流动噪声等。
（4）流动/振动声学一体化分析
ACTRAN软件提供独有的流动/振动声学一体化分析功能，将外部湍流噪声源加载于声学网格上，计算外部气动噪声分布、结构受激振动响应以及车厢内部的声场。一次分析可以得到内外声场以及结构响应，减少工程假设。
2.2单元库
ACTRAN支持流体有限元与无限元、结构实体单元、实体壳单元、梁单元、薄壳单元等。ACTRAN超越一般的声学仿真软件，其声学模型可以包含结构与流体，进行声振耦合分析。下文将详细介绍一些特殊单元应用。
2.2.1加强筋单元
在真实车辆中，加强筋是普遍使用的结构。这些加强筋结构可以用ACTRAN
中的1D梁单元或2D加强筋单元（STIFFENER单元）进行模拟。这样做的好处是能够模拟使用加强筋的多层结构，并减小模型的规模从而降低对硬件需求。从振动的角度分析，使用ACTRAN的加强筋单元建模，可以得到与真实加强筋同样的力学性能。在众多工程项目中，ACTRAN的加强筋单元已经得到了有效的验证。
图2.1 使用2D加强筋单元模拟真实3D加强筋
2.2.2壳单元、梁单元
ACTRAN支持使用二维网格描述板壳结构，厚度项在ACTRAN里定义，建模更方便快捷。
图2.2 ACTRAN支持使用二维壳单元模拟板壁结构
对于壁板结构中的加强筋，ACTRAN支持使用1D梁单元模拟，综合使用壳单元、梁单元，可以模拟多层加强筋的板壳结构。
2.3材料库
ACTRAN提供最丰富的材料库，支持所有工业界使用的材料类型，包括金属材料、各项同性材料、各项异性材料、横向各项同性材料、流体材料等，ACTRAN具有特别优势的材料类型如下所示：
2.3.1多孔材料
为了提高汽车的隔声、隔振性能，车身设计中通常加入一层多孔介质材料，如玻璃棉、岩棉等。这种用于绝热处理的材料对车辆内部隔绝外部噪音、降低振动有着重要影响，因此对材料的精确模拟是极为重要的。
ACTRAN支持常见的多孔弹性材料与多孔硬质材料，以模拟车辆工程常见的吸声材料。在此基础上，ACTRAN增加提供对LUMPED多孔材料以及DELANY_BAZLEY多孔材料模型的支持，以降低对声学实验的依赖。ACTRAN 持之以恒的对声学材料的研究与发展，能够帮助企业更好的模拟工程上使用的各种材料。
图2.3 ACTRAN支持对多孔介质材料的模拟
2.3.2压电材料
ACTRAN是唯一支持压电材料的噪声仿真软件，支持对噪声主动控制技术
中普遍使用的压电陶瓷材料的模拟。ACTRAN通过定义材料的密度、弹性矩阵、压电矩阵以及电介质矩阵等参量模拟压电材料的物理属性。
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图2.4 压电材料定义的三个矩阵参量
2.3.3复合材料
复合材料具有质量轻、力学性能不输于金属材料的特点，在工业界被广泛使用。一般复合材料由多层弹性或纤维材料交替构成，ACTRAN支持对多层复合
材料的模拟。
图2.5 ACTRAN定义多层复合材料
2.3.4粘热流体材料
当汽车密封存在缺陷，或者高速行驶中产生的负压，将导致密封系统出现声泄露。声波在狭小管道内或门窗缝隙内传播时，其传播存在粘热损失效应。对于汽车声泄露分析，粘热损失效应是声学模拟中必须考虑的因素。ACTRAN支持粘热流体材料，能够精确的模拟汽车声泄露的粘热损失效应。
图2.6 粘热流体与普通流体材料计算结果对比
2.4激励方式
ACTRAN支持声学、力学以及运动学激励，除此以外ACTRAN还支持随机激励方式。ACTRAN支持的激励方式如下所示：
声学：声压、点声源、平面波、线声源、管道模态激励；
力学：点力、分布载荷、结构分析软件导入载荷；
运动学：位移、速度、加速度；
随机激励：扩散声场（模拟混响室条件）、湍流边界层、δ相关随机激励。
对于各种随机激励，ACTRAN除了可以得到统计平均量，还能自动计算标准偏差等统计信息。
ACTRAN可以定义多种载荷工况，计算完成后ACTRAN将提供各激励作用的结果，帮助工程师分析噪声传递路径以及噪声源的作用。除此以外，ACTRAN
还能提供各载荷工况共同作用下的声学响应。基于有限元数值分析方法的优势，多载荷工况并不会明显增加计算时间。
2.5预加应力结构
结构预加应力对系统的振动声学特性有明显影响。在ACTRAN中，预加应力的效果可以通过以下两个步骤实现：
1)第一步：对结构加载分布载荷，计算出结构静态位移。
2)第二步：将上一步得到的结构静态位移结果以导入到振动声学响应计算。
ACTRAN将基于结构静态位移来计算结构中的初始预加应力，并基于初始应力来修改结构刚度。
这样得到的振动、声学结果即是考虑到了预加应力效应的结果。一般来讲，由于预加应力的效果，结构的刚度会加强。预加应力模型结构分析可以帮助工程师了解预加应力如何影响系统的振动声学特性。
2.6与结构、流体CAE技术的配合
由于有限元方法的共通性，因此ACTRAN软件能够更好的与结构、流体CAE分析结果联合。在声学仿真方面减少工程假设，在边界条件、激励、结构类型、材料等各方面均能更好的模拟实际物理问题。
图2.7 ACTRAN模拟车内风噪声影响（大众帕萨特车型）
2.6.1气动噪声与声源插值技术
ACTRAN在气动声学仿真具有压倒性优势。声源处理方面，ACTRAN提供Lighthill与M?hring声类比技术，将流场信息转换为噪声源。在声源插值技术方面，ACTRAN更新原有的插值技术，提供目前最先进的积分插值方法，能够在使用稀疏网格的条件下获得精确结果，降低气动声学计算对网格量的需求，加速求解速度。
图2.8 致密与稀疏网格模型比较
图2.9 积分法使用稀疏网格即可获得相同精度
2.6.2非均质流体
ACTRAN支持流体介质中存在温度梯度、密度梯度、流速分布等非均质现象，可以将流场的背景流动直接插值入声学网格上，计算声波在非均质流体中的传播。汽车进排气系统声学分析，必须考虑非均质流体属性的影响。
图2.10 温度影响图2.11 流速影响
2.6.3结构分析计算结果的导入
ACTRAN支持将结构分析结果作为激励输入，结构-声学分析能够有机结合。ACTRAN支持的结构分析软件包括ABAQUS、NASTRAN、ANSYS、IDEAS等。
ACTRAN软件提供先进的投射技术，结构分析软件计算得到的结果可以非常方便的映射到声学网格上。
图2.12 网格映射技术
2.6.4模态坐标系求解技术
使用ACTRAN在物理坐标系下进行振动声学模拟的方法已经广泛地被试验及
理论结果所验证。ACTRAN丰富的材料库、单元库及加载方式为工程师们提供了广泛的建模可能，使工程师对问题的研究达到非常细致的层面。在物理坐标系下的数值模拟也存在一个限制，如对于大型问题受到CPU能力和内存大小的限制。
为了克服这个数值模拟的限制，Free Field Technologies开发了模态坐标下的振动声学组件。在模态坐标下进行振动声学数值模拟，模拟可以达到更高的频率（对于一个细节丰富的车辆内部模型，可以很轻松达到2000Hz 以上的频率）。
ACTRAN支持将ABAQUS、NASTRAN、ANSYS、IDEAS等结构分析软件的模态结果导入，并基于模态坐标系下求解结构的动态响应和空间的声学响应。
2.6.5物理坐标与模态坐标混合求解方法
对高阻尼或多孔部件的模拟（这些部件一般被称为Trim部件）。这些部件可以通过ACTRAN在物理坐标下进行模拟，并和整体结构的模态模型进行耦合。ACTRAN for NASTRAN模块提供独有的物理坐标与模态坐标混合求解方法。对于整车分析，车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建模。ACTRAN软件能够建立物理坐标与模态坐标的混合模型，极大的拓展了有限元使用的频率范围与求解规模。
该技术可以帮助工程师研究车内吸声材料与阻尼的布置，对于多工况（不同阻尼布置）问题，求解时间与单工况相比只略微增加。
2.13 物理模型与模态模型的耦合
2.6.6超单元的应用
ACTRAN for NASTRAN支持将结构软件计算的动态响应，利用超单元技术转换为分析部件的边界条件。利用超单元技术，能够极大的缩小求解问题的规模，并且可以提供更贴近于真实工况的边界条件用于仿真分析，提高计算结果的可靠性。
图2.14 超单元缩减法（左图：进排气管；右图：前围板）
3.基于ACTRAN的汽车噪声解决方案
ACTRAN涵盖了汽车噪声各个领域，下文将逐一介绍ACTRAN的典型应用。
3.1汽车侧窗噪声模拟
后视镜作为汽车不可缺少的部件之一，在保证视野的同时，增加了汽车的气动阻力和气动噪声。由于后视镜结构和在汽车所处的特殊位置，使得后视镜流动和气动噪声问题显得格外重要。
空气通过后视镜时，在后视镜、侧窗表面以及后视镜尾部形成剧烈流场脉动，产生强烈的气动噪声，透过侧窗向车内传播。大众、标志雪铁龙等企业NVH工程师，使用ACTRAN软件研究后视镜噪声。
图3.1后视镜侧窗噪声分析
利用ACTRAN Vibro-Acoustics以及Aero-Acoustics模块，可以将外部流场脉动压力、侧窗结构、乘客舱放入统一的声学模型。计算完成后，结果包括侧窗振动、车内声学响应等数据，并且可以直接提取司机或乘客人耳处声压级响应。
3.2汽车风挡声学性能模拟
挡风玻璃对乘客舱内振动与声学特性影响显著。宝马公司使用ACTRAN软件分别研究风挡的振动与隔声性能。实验装置中将风挡悬挂，使用点力激励，测量风挡的振动加速度响应。ACTRAN仿真计算，可以完全模拟风挡三层结构：玻璃-PVB-玻璃结构，计算结果与实验值吻合较好，如图3.2所示。
0.010.1
1
10100
1000
050100150200250300350400450500
A c c e l e r a t i o n [m /s 2]F re q u e n c y [H z ]W in d s h ie ld –M o d a l a n a ly s is , fre e -fre e
B C
s im u la tio n
e x p e rim e n ta l
图3.2 风挡振动分析
宝马公司使用ACTRAN 软件计算风挡的隔声性能。模型包含三层风挡结构以及乘客舱内部空间。ACTRAN 中可以施加扩散声场、湍流边界层、脉动压力等激励方式，获得风挡振动响应以及车内声场分布，如图3.3所示。
图3.3 风挡隔声分析 3.3 气动噪声模拟
ACTRAN 被汽车企业用于计算空调通风口、管道流动、换热风扇、车身外部气动噪声、排气管等气动噪声。以下仅介绍空调通风口噪声的应用。
车载空调对车内乘车环境有重要影响，传统的通风、温度控制等功能是汽车空调行业关注的重点。随着发动机、轮胎、气动等噪声源的降低，空调噪声对乘客舱内舒适性有越来越重要的影响。伟世通公司使用ACTRAN 软件研究空调通风口噪声，研究格栅对喷流噪声的影响。
图3.4 通风口模型（包含格栅）
伟世通公司使用ACTRAN软件研究空调通风口噪声，研究格栅对喷流噪声的影响。研究表明空调通风口噪声集中于低频段，主要是喷流所产生的；高频部分声能受格栅影响。
图3.5 通风口喷流噪声（左图：无格栅；右图：考虑格栅）
3.4进排气系统噪声模拟
发动机进排气系统噪声属于空气动力噪声，是由于气体扰动以及气体与其它物体的相互作用而产生的，在发动机总噪声中占有重要分量。排气噪声是发动机最主要的噪声源，往往比发动机本体噪声高出10～15dB(A)。发动机噪声不仅降低产品的性能，而且危害人们的生活环境，为了满足汽车乘坐舒适性和日益严格的噪声法规的要求，对发动机进排气系统噪声进行研究和控制非常有必要。
对于进排气系统噪声而言，ACTRAN可以利用其自身可压缩势流求解器计算温度场，并加载于声学网格。
图3.6 温度场对消声器声学性能的影响
ACTRAN基于有限元法，可以将管内流体、管道结构、管外流场一并考虑，建立于统一的模型。分析结果包含管内、管外声场分布以及管壁振动响应。除此以外，利用管道模态边界条件，ACTRAN还可以进行能量分析，评价入射声能、透射声能、辐射声能以及耗散声能等，帮助工程师研究进排气系统声学优化设计。
图3.7 管道整体模型声学分析
ACTRAN集成了TMM组件（传递矩阵法），对于排气管道系统来说，可以将其分解为各个子系统，对每个子系统计算其声学特性矩阵因子。整个管道系统的声学特性，利用TMM组件即可直接计算。
图3.8 管道系统传递损失声学分析
3.5整车声学分析
对高阻尼或多孔部件的模拟（这些部件一般被称为Trim部件）。这些部件可以通过ACTRAN在物理坐标下进行模拟，并和整体结构的模态模型进行耦合。ACTRAN提供独有的物理坐标与模态坐标混合求解方法。
图3.9 整车声学分析流程
本田汽车整车分析中，首先对车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建模。ACTRAN软件将吸声材料投射于车身以及车内空间模态基上，流固耦合并建立物理坐标与模态坐标的混合模型进行声学计算。本田使用ACTRAN计算了从发动机排气管到乘客舱人耳位置的传递函数，并且针对汽车内饰与车窗进行隔声优化设计。
图3.10 本田汽车应用实例