發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲分析

1、精品文檔你我共享武陵理7人挈（研究生課程論文）振動(dòng)與噪聲控制論文 題目： 基 于 LMS Virtual.Lab 邊 界元法發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲分析指導(dǎo)老師：學(xué)院班級(jí)：學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：2015 年5月基于LMS Virtual.Lab邊界元法發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲分析摘要：在國(guó)家經(jīng)濟(jì)保持快速增長(zhǎng)的背景下，國(guó)內(nèi)汽車工業(yè)發(fā)展迅速。隨著汽車保有量增加， 汽車噪聲污染問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行噪聲是車輛產(chǎn)生環(huán)境噪聲的主要因素，對(duì)其輻射噪聲的數(shù)值分析能夠?yàn)榭刂圃肼曁峁┝己玫睦碚搮⒖?。本文主要介紹了外聲場(chǎng)分析的邊界元法的基本理論，利用LMS Virtual.Lab聲學(xué)模塊計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)輻射外聲場(chǎng)及其頻率響應(yīng)

2、，為之后的研究學(xué)習(xí)提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：邊界元法，輻射噪聲，聲固耦合1引言在現(xiàn)代汽車設(shè)1t過(guò)程中，CAE分析起到越來(lái)越重要的作用，在汽車設(shè)計(jì)初期即可快速的取得結(jié)果，從而取代后期大量的試驗(yàn)，使得汽車設(shè)計(jì)周期大大縮短，降低研發(fā)成本。而作為汽車性能重要指標(biāo)的 NVH (Noise Vibration and Harshness)在現(xiàn)代汽車市場(chǎng)中越來(lái)越受到 人們的重視，也成為許多廠家核心競(jìng)爭(zhēng)力的一部分，涉及車輛的振動(dòng)噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為汽車技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著國(guó)內(nèi)整機(jī)廠汽車 CAE技術(shù)的成熟，利用 CAE技術(shù)模擬汽車 NVH問(wèn)題已經(jīng)不僅 僅局限于零部件及子系統(tǒng)的模態(tài)，基于整車模型的整車振動(dòng)和噪聲響

3、應(yīng)的模擬預(yù)測(cè)技術(shù)也已經(jīng)逐漸被掌握。在設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)階段即可預(yù)測(cè)振動(dòng)噪聲水平，以便及時(shí)的更改設(shè)計(jì)，達(dá)到可接受的振動(dòng)噪聲水平。 發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車主要的振動(dòng)和噪聲源。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲水平是汽車用戶對(duì)汽車 NVH性能的第一感覺(jué)。本文用直接邊界元法計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射 噪聲。2數(shù)值方法的基礎(chǔ)理論2.1邊界元法的基本理論有限單元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合體。出于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同形狀，因此可以模型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。有限單元作為數(shù)值計(jì)算方法的另一個(gè)重要特點(diǎn)是利用在每一個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的插值函數(shù)來(lái)分片地表示全

4、求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。由于插值函數(shù)是已知的一個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)，那么有限元分析的基本未知量就是未知場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值。一經(jīng)求解出這些未知量，就可以通過(guò)插值函數(shù)計(jì)算出各個(gè)單元內(nèi)場(chǎng)函數(shù)的近似值，從而得到整個(gè)求解域上的近似解。 顯然隨著單元數(shù)目的增加，也即單元尺寸的縮小， 或者隨著單元自由度的增加及插值函數(shù)精度的提高，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的， 近似解最后將收斂于精確解。盡管有限元法所取得的成就與日俱增，但有限元法還不是十全十美的。改進(jìn)有限元法的努力一直在進(jìn)行著， 但是有限元法的某些不足是無(wú)法克服的。例如有限元法需全域離散，導(dǎo)致問(wèn)題的自由度和原始信息量大；對(duì)無(wú)限域只能人為地取成有限域

5、；有限元法的離散技術(shù)本身也存在缺陷，它把本來(lái)是連續(xù)的介質(zhì)用僅在節(jié)點(diǎn)處連接的有限單元的集合來(lái)模擬，這樣不僅帶進(jìn)了離散的誤差， 而且在單元之間連續(xù)的要求較高時(shí)，有限單元的構(gòu)造也很困難； 對(duì)有限元法的精度和可靠性也常常會(huì)提出疑問(wèn)，因?yàn)閷?duì)同問(wèn)題采用不同的程序計(jì)算時(shí)可能會(huì)得出不同的結(jié)果。有限元法的不足用邊界元法可以彌補(bǔ)。邊界元法僅在邊界上離散，使數(shù)值計(jì)算的維數(shù)降低一維，從而減少了問(wèn)題的自由度和原始信息量。邊界元法采用無(wú)限域的基本解，用邊界元法求解無(wú)限域問(wèn)題可稱是天衣無(wú)縫。邊界元法的離散誤差只產(chǎn)生在邊界上，邊界元法中部分采用數(shù)值法，部分采用解析式，它的準(zhǔn)確度和可靠性已公認(rèn)是高于有限元法。邊界元法是繼有限元

6、法之后的一種別具特色的新的數(shù)值方法，它是將描述彈性力學(xué)問(wèn)題的偏微分方程邊值問(wèn)題化為邊界積分方程并吸收有限元法的離散化技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的。將彈性力學(xué)問(wèn)題歸結(jié)為求解一組邊界積分方程， 若在邊界上已知三個(gè)位移分量和三個(gè)面力分量中的三個(gè)分量，則由邊界積分方程可以確定其余三個(gè)未知分量，而任意內(nèi)點(diǎn)的位移和應(yīng)力可由六個(gè)邊界分量通過(guò)邊界積分來(lái)確定，這就是邊界積分方程方法。邊界積分方程有奇異性，解析求解極為困難。有限元法所取得的成就吸引人們對(duì)邊界積分方程在邊界上劃分單元進(jìn)行離散，然后由全部邊界節(jié)點(diǎn)的三個(gè)已知邊界量求出全部邊界節(jié)點(diǎn)的另外三個(gè)邊界量，這就是邊界元法的由來(lái)。邊界元法中包含有有限元法的思想，它把有限元法的

7、按求解域劃分單元離散的概念移植到邊界 積分方程方法中，但邊界元法不是有限元法的改進(jìn)或發(fā)展，邊界元法與有限元法存在著本質(zhì)的差異。邊界積分方程是邊界元法的基本出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)建立邊界積分方程時(shí)，對(duì)基本解的利用方式的不同，邊界單元法可分為直接法和間接法兩大類。直接法利用數(shù)學(xué)上各種積分等式，通過(guò)基本解直接把邊界上的待解邊界函數(shù)與已知邊界條件聯(lián)系起來(lái)建立積分方程，從這個(gè)方程解出來(lái)的就是未知邊界值。間接法則不用邊界的待解邊界值作為未知函數(shù)，而是無(wú)限大區(qū)域內(nèi)沿著該問(wèn)題的計(jì)算邊界配置某種點(diǎn)源分布函數(shù)作為間接的待解未知量，它對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響，是一系列點(diǎn)源的影響(基本解)的疊加。由于基本解是自動(dòng)滿足控制微分方程的，因

8、而 只要這些間接點(diǎn)源函數(shù)在邊界各處產(chǎn)生的影響，剛好與給定的邊界條件一致時(shí)，則根據(jù)定解問(wèn)題解的唯一性原理，在計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)和邊界上的影響也就是該邊值問(wèn)題的特解。2.2邊界條件車輛噪聲考慮小振幅的線性聲學(xué)問(wèn)題，外聲場(chǎng)滿足Helmholtz方程?2P + k2p = 0式中，？2為拉普拉斯算子；p為聲場(chǎng)內(nèi)任一點(diǎn)的聲壓；k為波數(shù)，k = Mm, 3為角頻率, m為聲速。聲場(chǎng)的邊界條件包括(1)聲壓邊界條件P =(2)法向速度邊界條件Vn =(3)法向阻抗邊界條件P = Vn =式中， 為聲壓函數(shù)，Vn為法向速度函數(shù)，n表示邊界表面的法向，卬為空氣密度，j2 =-1,為法向阻抗函數(shù)。方程還應(yīng)滿足Some

9、rfield遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件，以解決無(wú)限大的外聲場(chǎng)問(wèn)題。(一 )=0式中，r為結(jié)構(gòu)表面到空間中任意點(diǎn)的矢量，r = rb -ra為結(jié)構(gòu)表面上任意點(diǎn)的矢量，rb為空間中任意點(diǎn)的矢量。Somerfield遠(yuǎn)場(chǎng)輻射條件保證Helmholtz方程的解在遠(yuǎn)場(chǎng)收斂,且沒(méi)有反射波。結(jié)構(gòu)的外聲場(chǎng)問(wèn)題即求解以上方程。邊界元法基于 Helmholtz積分方程，將區(qū)域內(nèi)的偏微分方程轉(zhuǎn)換成邊界上的積分方程, 分割邊界為有限大小的邊界元素，將邊界積分方程離散成代數(shù)方程。邊界元方法自動(dòng)滿足 Somerfield輻射條件，可以有效地求解外聲場(chǎng)問(wèn)題。邊界元方法利用第二格林公式，由 Helmholtz方程和Green函數(shù)，得到邊界

10、積分方程。3模型的建立與分析求解(1)運(yùn)用軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分圖1發(fā)動(dòng)機(jī)網(wǎng)格模型(2)將模型轉(zhuǎn)換成由面網(wǎng)格構(gòu)成的邊界元網(wǎng)格圖2發(fā)動(dòng)機(jī)直接邊界元網(wǎng)格模型(3)導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加速度由于振動(dòng)加速度位于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上，不再聲學(xué)網(wǎng)格上，不能計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)引起的外聲場(chǎng),故需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行映射轉(zhuǎn)移計(jì)算。圖3為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移后的振動(dòng)加速度云圖。圖3轉(zhuǎn)移后的振動(dòng)加速度(4)設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格是以發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何中心為原點(diǎn)的八分之一球。圖4場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格(5)定義邊界條件并開(kāi)始計(jì)算。利用轉(zhuǎn)移后的振動(dòng)加速度定義一個(gè)振動(dòng)邊界條件，并 計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)表面聲壓、場(chǎng)點(diǎn)聲壓以及場(chǎng)點(diǎn)聲壓頻率響應(yīng)函數(shù)。AAAAAAPressure Ampkbude dB.ltkci.jrrence 9日" I 83.8 I 8L1 I 79.575.B65 2的冉On Boundary圖5發(fā)動(dòng)機(jī)表面聲壓 dB云圖（100Hz）圖6 300Hz場(chǎng)點(diǎn)上的聲壓 dB云圖（300Hz）1李麗君.駕駛室外聲場(chǎng)分析的邊界元法