基于PERA SIM车内中高频振动噪声分析（内含免费培训）
让仿真变成生产力
安世亚太工程师
黄锦耀
专题课包括课程讲解和答疑两个部分，欢迎感兴趣的用户报名听课。
1.引言
1.引言
随着科技进步人们生活水平的提高，汽车在性能评价时，愈发重视车内人员的驾乘感受。各车企都致力于开发更安静和舒适的产品，同时降低研发阶段整体的成本，以提高产品在市场中的竞争力，在汽车设计的初期，已成功利用各类仿真软件来实现车内噪声的控制。当今市场新能源汽车竞争愈演愈烈，工程师急需在传统NVH性能开发的基础上，寻求一种有效的仿真工具实现宽频范围内整车的振动噪声的预测。
PERA SIM ProNas是安世亚太自主开发的一款中高频振动噪声分析软件，基于能量有限元理论，可以实现结构和声场的耦合分析计算。能量有限元是以波动理论为基础，将结构离散化，在单元之间建立能量密度关系式，进而得到所有节点的能量密度；但在实际计算中，由于耦合处节点个数较多，计算效率较低。ProNas能量有限元借鉴了统计能量分析法，以有限单元为研究对象，利用有限体积法及差分法推导出得类似于SEA的理论方程，联立求得每个有限单元的能量密度，大大提高了计算效率。
针对整车宽频振动噪声控制的需求，ProNas提供了一个可靠的中高频振动噪声仿真技术，通过将ProNas软件集成到汽车的NVH性能设计过程中，能给工程师节省大量的开发时间和资源。
2.中高频振动噪声
分析模型建立
2.中高频振动噪声
分析模型建立
2.1 整车模型前处理
某项目分析乘用车车内中高频振动噪声，整车CAD设计数据如下所示，主要包括整车外覆盖件、内饰件的部分。针对整车CAD数据，我们在PERA SIM PreMech（安世亚太专业结构前处理工具）中完成了以下的准备工作：
1、确认整车玻璃/车顶/地板/前后围板/挡泥板/车门/座椅/仪表盘/中控台等结构的材料、属性特性，并检查整车模型的密封性；
2、采用虚单元将整车车舱、机舱内部划分成多个声腔模型；
3、整车进行有限元网格划分；
4、上述结构件生成的有限元单元，按照不同的物理特性和边界条件完成分组；
5、导出ProNas求解器可识别的***.bdf、或***.dat等CAE文件。
某乘用车整车模型 | |
CAD数据 | CAE模型 |
结构有限元模型 | |
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声腔模型 | |
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2.2 ProNas整车模型导入
PERA SIM ProNas目前没有提供模型清理、网格划分的功能，需要通过从外部导入ProNas（bdf、dat等）CAE网格模型文件，进行后续的中高频振动噪声求解设置工作。CAE模型的准备可以如上述，在PERA SIM PreMech中处理；也可以在其他前处理工具中准备好Nastran的求解文件，ProNas读取时自动转成ProNas求解器文件；甚至可以依据ProNas格式对已有的有限元文件进行手动调整。
本文导入在PreMech中准备的整车及声腔模型文件，由ProNas完成能量有限元的求解设置，导入模型如下图所示：
图：模型导入
2.3创建声腔子系统
ProNas提供了组文件的导入、及自动识别封闭空腔创建组的功能，可实现模型的快速分组。基于详细的单元分组信息，可方便地创建声腔子系统、施加激励、添加阻尼及声学材料NCT等。
本项目中模型在PreMech中完成分组处理并导入ProNas中，包含分组信息64项；此外、由虚单元和结构单元组成声腔模型的封闭组，ProNas可以直接转换成声腔子系统，同时实现结构模型与声学模型的完全耦合，方便声振耦合的统一求解。创建组信息及声腔子系统如下图所示：
图：创建组信息
图：创建声腔子系统
2.4分析设置
CAE结构有限元模型导入ProNas中，保留了整车结构件的材料属性，可以作为能量有限元求解模型的材料属性直接使用，避免了重复指定属性的工作，大大提高工作效率：
图：结构材料、属性信息
ProNas中要完成声腔子系统中的介质属性的设置。软件提供了空气、水、海水等常见的声介质材料，或可以通过密度、声速等参数设置任意的流体介质，满足将流体类型关联到声腔子系统。除此之外，还可以控制声腔子系统的阻尼、吸声性质。车内声腔流体类型选择空气，声腔内的声传递暂不考虑空气粘性的阻尼损耗，只考虑车内饰件的吸声属性。
图：声腔介质、属性设置
ProNas的载荷施加，需要在左侧模型树下选择载荷谱“Engineering Units工程单位”，添加声边界条件、激励，可定义类型包括：速度、加速度、声压、声功率等，还可以定义扩散声场。分析频率、边界设置如下图所示。
图：分析设置
本项目关注整车在60 km/h的巡航工况400Hz到10000Hz的频率范围下的车内响应，为实现声学仿真与声学测试相对应，定义各类载荷共30多项，基于单元组信息施加到能量有限元模型上：
图：整车激励加载
在整车中高频分析中，除定义结构和声腔属性、载荷激励之外，需要将内饰件定义为Noise Control Treament声学控制材料，通常也叫声学包，包含：声学顶棚、汽车座椅、防火墙吸隔音棉等。ProNas可以基于AM模块创建声学包结构，同时基于完全Boit理论计算声学包的声学性能；也可以直接输入声学包声学性能参数。NCT也是基于单元组信息快速敷设到结构单元面上，设置方式如下图所示：
图：AM声学包设计模块
图：座椅声学包敷设
3.计算结果分析
3.计算结果分析
ProNas后处理界面可以查看不同频率下，整车结构及声腔的能量、能量密度云图分布以及能量传递情况，也可以显示结构振动速度云图、声腔声压云图：
图：整车振动速度云图
图：整车声腔声压云图
本项目中，整车还在半消内四轮测功机上以60km/h的负载完成测试。在车辆周围和发动机舱内布置160个测量点，获取用于加载到ProNas中的声学载荷。同时，确定了38个测量点获得车内声压谱，且每个声腔内至少布置了3个麦克风，布置位置如下：
图：车内麦克风位置示意
对整车前后排头部的噪声声压级，以及前后排脚边的振动速度级，ProNas仿真结果与半消声室的测试结果进行对比，巡航工况下不同频率下值大小稍有偏差，但整体变化趋势一致，可以为整车多个设计方案的对比提供参考建议。
图：声腔声压试验-仿真对比
4.结论
4.结论
本文基于某整车车内振动噪声分析项目，利用安世亚太自主开发能量有限元软件PERA SIM ProNas介绍了分析模型准备、条件设置、求解及结果后处理的完整仿真预测流程。结合整车试验对比验证了ProNas能量有限元的求解精度，对于研究中高频振动噪声耦合求解的问题，ProNas快速算法有较高的实际工程意义。
来源：安世亚太
