基于聲學(xué)有限元法的汽車風(fēng)噪聲仿真方法研究

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于聲學(xué)有限元法的汽車風(fēng)噪聲仿真方法研究

許志寶，汪東斌，李忠禹，徐寅生

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于聲學(xué)有限元計(jì)算方法，借助 CFD軟件進(jìn)行了某 SUV車型外流場模擬，將外流場分析數(shù)據(jù)導(dǎo)入 LMS Virtual.Lab Acoustic聲學(xué)有限元模塊進(jìn)行氣動(dòng)噪聲車內(nèi)聲場的響應(yīng)研究。通過流場與聲場的耦合求解，完成車內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的聲壓頻譜計(jì)算，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，該仿真方法精度高，工程應(yīng)用潛力大。

氣動(dòng)噪聲；聲學(xué)有限元方法

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-77-03

引言

有限元理論經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而長期以來，受硬件資源限制及超大計(jì)算量的影響，聲學(xué)問題，尤其高頻聲學(xué)問題，往往無法應(yīng)用有限元方法進(jìn)行開展。近些年，隨著硬件計(jì)算資源的豐富，應(yīng)用有限元方法進(jìn)行大規(guī)模聲學(xué)問題解算，已經(jīng)初步具備條件。

汽車氣動(dòng)噪聲是由于車輛在高速行駛中，車輛對氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生，因此進(jìn)行汽車瞬態(tài)流場仿真，獲取車外的壓力波動(dòng)可以對車輛風(fēng)噪聲性能進(jìn)行初步評估。進(jìn)行表面壓力與試驗(yàn)的驗(yàn)證分析，可以對瞬態(tài)流場仿真結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，是進(jìn)行車內(nèi)聲場仿真準(zhǔn)確性最初步的判定。本文以某在研SUV車型氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過進(jìn)行車外流場相關(guān)性對比、車內(nèi)聲場相關(guān)性對比，對基于聲學(xué)有限元法的汽車風(fēng)噪仿真方法進(jìn)行校驗(yàn)，以期證明該方法能夠應(yīng)用于車輛氣動(dòng)噪聲性能開發(fā)。

1 流場模型搭建

在前處理軟件Ansa中對該SUV車型整車數(shù)模進(jìn)行幾何清理，并完成面網(wǎng)格劃分。之后網(wǎng)格文件導(dǎo)入流體通用分析軟件 STAR-CCM+中，創(chuàng)建一適當(dāng)大風(fēng)洞，其表面進(jìn)行三角化網(wǎng)格處理，各部分網(wǎng)格均體現(xiàn)車型的設(shè)計(jì)狀態(tài)。在最為關(guān)注的A柱、前風(fēng)擋玻璃密封條、后視鏡、駕駛員側(cè)的側(cè)窗玻璃及玻璃水切和密封膠條均保留詳細(xì)幾何，所有縫隙保留至少一個(gè)單元的深度，網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

圖1 仿真模型

由于需要進(jìn)行外部流場仿真精度的相關(guān)性對比，需要在側(cè)窗玻璃表面建立試驗(yàn)中表面麥克風(fēng)模型，用以更加準(zhǔn)確的撲捉側(cè)窗表面信息。計(jì)算域生成Trimmer流體網(wǎng)格，計(jì)算域整體網(wǎng)格規(guī)模近一億。

圖2 側(cè)窗表面建模

設(shè)定風(fēng)速為 120kph，進(jìn)行 0.5s瞬態(tài)計(jì)算，時(shí)間步長為2E-5 s，計(jì)算按時(shí)間步自動(dòng)輸出側(cè)窗玻璃表面壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)對側(cè)窗表面麥克風(fēng)位置進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)設(shè)定，采集各點(diǎn)位置隨時(shí)間變化的脈動(dòng)壓力信息。

2 側(cè)窗表面麥克風(fēng)數(shù)據(jù)對比

圖3 外場測點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

車外流場相關(guān)性的對比，主要思路是借助側(cè)窗玻璃的表面麥克風(fēng)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。瞬態(tài)計(jì)算完畢，得到側(cè)窗表面各點(diǎn)的隨時(shí)間變化的壓力信息，通過快速傅里葉變換，將總的計(jì)算時(shí)間的后 0.3s時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域向頻域的轉(zhuǎn)化，從而得到各麥克風(fēng)對應(yīng)位置處的SPL曲線。圖3中分別對5個(gè)側(cè)窗外表面麥克風(fēng)測點(diǎn)進(jìn)行了對比。

由上述圖線發(fā)現(xiàn)，在400Hz到20000Hz頻率上聲壓級的分布可知，目標(biāo)頻域范圍內(nèi)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。在400Hz-20000Hz區(qū)間內(nèi)的總聲壓級偏差均在5dB以內(nèi)。

通過側(cè)窗表面麥克風(fēng)位置仿真與試驗(yàn)的數(shù)據(jù)對比，可初步判定，風(fēng)噪分析過程中，外場數(shù)據(jù)的仿真準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證，也就是用于聲場響應(yīng)計(jì)算的邊界條件是符合要求的。

3 聲場模型搭建

進(jìn)行車內(nèi)風(fēng)噪聲計(jì)算，需要進(jìn)行駕駛室聲腔網(wǎng)格的準(zhǔn)備。同時(shí)，連接外部流場與車內(nèi)聲場的，是側(cè)窗玻璃等結(jié)構(gòu)部件，因此同樣需要進(jìn)行側(cè)窗玻璃模型的搭建。

3.1 側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)格準(zhǔn)備

從整車模型中，將側(cè)窗玻璃分離出來，可將側(cè)窗玻璃視為一大平板，可直接對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，劃分尺寸為5mm。

3.2 乘員艙聲腔網(wǎng)格準(zhǔn)備

進(jìn)行乘員艙聲學(xué)網(wǎng)格制作，根據(jù)網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格截?cái)囝l率的關(guān)系：最大聲腔網(wǎng)格尺寸為14mm。

圖4 側(cè)窗玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)格及乘員艙聲腔網(wǎng)格模型

3.3 聲場場點(diǎn)布置

該車型實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)，車內(nèi)布置了人工頭進(jìn)行聲學(xué)響應(yīng)的采集，如圖5所示。為保證仿真結(jié)果的一致性，需要在聲場計(jì)算前，進(jìn)行場點(diǎn)設(shè)定，從而得到響應(yīng)位置的聲學(xué)信息。

圖5 人工頭測點(diǎn)位置及聲場仿真過程中監(jiān)測點(diǎn)的對應(yīng)位置

4 車內(nèi)響應(yīng)分析

4.1 聲學(xué)計(jì)算模型搭建

在LMS Virtual.Lab Acoustic模塊下導(dǎo)入流場數(shù)據(jù)、側(cè)窗結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、車輛駕駛艙聲腔網(wǎng)格。首先進(jìn)行流場數(shù)據(jù)向側(cè)窗結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，期間進(jìn)行傅里葉變換，將流場計(jì)算中隨時(shí)間步輸出的側(cè)窗壓力時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成頻域數(shù)據(jù)；在駕駛艙聲腔內(nèi)建一駕駛員耳旁測點(diǎn)。同時(shí)，為考慮駕駛艙內(nèi)吸隔聲性能，需分別對各關(guān)鍵部位，如頂棚、地毯等區(qū)域進(jìn)行材料屬性賦予， 之后采用直接聲振耦合方法進(jìn)行計(jì)算分析，模型搭建完畢如下圖所示。

圖6 側(cè)窗風(fēng)噪計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)樹

4.2 結(jié)果分析

圖7為400Hz到4000Hz頻率段上聲壓級的分布，計(jì)算的總聲壓級為66.52dB，風(fēng)洞試驗(yàn)的測試結(jié)果為64.74dB，仿真結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)測試結(jié)果對應(yīng)較好，差別為2.7%。

圖7 相關(guān)性數(shù)據(jù)在400Hz到4000Hz頻率段上SPL曲線對比

在風(fēng)噪車內(nèi)響應(yīng)寬頻數(shù)據(jù)的處理中，可以采用趨勢線進(jìn)行相關(guān)性對比，通過趨勢線的對比可以看出，仿真分析與測試結(jié)果趨勢一至，并且最大的差別出現(xiàn)在 2000Hz處，差別最大為5dB。可認(rèn)為仿真結(jié)果與測試結(jié)果一至性較好。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)處試驗(yàn)與仿真聲壓級趨勢線對比

5 結(jié)論

風(fēng)噪車輛外部流場計(jì)算是風(fēng)噪聲仿真的基礎(chǔ)，也是最為耗時(shí)的過程，為能夠準(zhǔn)確撲捉車輛外形細(xì)部流動(dòng)特征，需進(jìn)行毫米量級的網(wǎng)格加密，通過加密處理及合理的瞬態(tài)時(shí)間步長布置，能夠得到較好的外部流場信息。

采用CFD與聲學(xué)有限元方法相結(jié)合，進(jìn)行車輛風(fēng)噪聲仿真分析得到很好的結(jié)果，通過本次方法研究，充分證明了該方法的可用性。隨著各大主機(jī)廠硬件資源的擴(kuò)展，以及超算資源愈發(fā)充裕，基于聲學(xué)有限元法的車輛風(fēng)噪聲仿真分析方法將得到很好的推廣和應(yīng)用。

Method Study of Automotive Wind Noise Simulation Based on the Acoustic FEM

Xu Zhibao, Wang Dongbin, Li Zhongyu, Xu Yinsheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Base on the acoustic finite element calculation method, and make use of CFD software to simulate one SUV external flow field,then import the external flow field data into the LMS Virtual. Lab Acoustic FEM module and study the aero-acoustic of internal sound field response. By means of the coupling solving of flow field and sound field, complete the calculation of sound pressure spectrum of internal monitoring points. Comparing with the testing data,it is found that this simulation method has high accuracy,and has great engineering application potential.

Aero-acoustic; Acoustic finite element method

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-77-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.026

許志寶，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。