在中低频域范围内对内声场进行模拟的集成解决方案
作者：LMS
前言
任何内声场仿真的目的是确定汽车内部的声压级（SPL），判断是否能满足设计规范的要求。另一目的是通过对车内声场的仿真分析，发现问题的根源，进而更改设计参数，最终达到优化设计的目标。
根据客户的实际应用要求，LMS Virtual.Lab提供了三种内声场仿真方案。第一种方案，标准型解决方案。通过给出车内声压级清晰的指标，让客户判断是否满足设计目标，同时该方案也能提供车体上不同辐射面板的贡献量。
第二种方案也称增值方案。拥有更多的细节分析能力，能提供更为详细的信息，使客户能够更精确地发现存在问题的区域，并更有效地进行微调设计。该方案是利用基于声学传递向量（ATVs）的声学边界元法或声学有限元法来完成上述任务的。
第三种方案也称补充解决方案。它是一种更先进的声学仿真方案。在该方案中，多层吸声材料可以更精确的定义。随着计算频率范围的增加，精确模拟多层吸声材料更为重要。与Biot分析方法相比，更显出了它的优越性。因为3D实体有限元单元将把成千上万的自由度添加到分析计算中。LMS Virtual.Lab利用多层吸声材料的快速子结构技术不会把额外的自由度添加到计算模型中。对附于基础结构上的多层吸声材料性能仿真几乎不必花费额外的代价。
在LMS Virtual.Lab中集成了所有的分析类型，使工程师可以快速准确地判断内声场的声压级，更为重要的是能提供有价值的信息，对噪声源、主要结构的噪声贡献量、振动传递路径有更深入的了解。另外还能评估不同的设计方案，提出正确及时的建议。
第一种方案：基于直接耦合法的声压级分析方案
该方案是一种快速简易的方法，用Nastran求解器求解。可以使用目前市场上任何一款Nastran求解器。为了更好地理解该过程，各个步骤展示如下：
模型设定所需的时间很短，大约只需20分钟。这主要得益于整个装配过程的自动化。该过程可以直接耦合不兼容的声学和结构两种网格，所以可以直接使用集成于Nastran求解器中的振动噪声解决方案。
结构网格
结构网格的细节是由客户感兴趣的频率范围所决定的。如果只对低频感兴趣，例如低于100Hz,那么就不需要模拟内部装饰面板的全部细节，用一个集中质量代替就足够了。
声腔网格
为了分析内部噪声，车内声腔需要定义和划分网格。对任何有限元分析，建立正确和真实的模型都很重要。内部划分网格，结构振动才能通过声腔网格的外层传递到声腔内部。
LMS Virtual.Lab提供了方便的工具，可以直接从结构模型生成声腔网格，并确保两种网格紧密相邻。在自动产生高质量的网格之前，需要检查和修补声腔上的孔。对自动化程度水平的要求由客户自己决定。用户可以根据需要灵活地将整个或部分腔体化为网格。网格生成算法可以处理尖角和圆滑特征、座椅和脚踏，并可以自动检测声腔外层上的网格。这些方便的工具可以使客户在几小时内生成精确和有效的网格。
内部组件的特征是随频率变化的，这些内部组件的模拟可有多种方法。如座椅可以用3D单元来模拟所占的空间的吸声特性，也可以用2D单元来模拟表面的吸声特性，其中的区别是3D单元会影响模态，而座椅表面的2D单元被作为刚性墙处理。如图1所示。
图1 包括座椅的实体有限元腔体网格
结构—声学装配
当完成对结构和声腔的网格划分后，接下来需要区分哪一部分是结构网格，那一部分是声腔网格，这可以通过对材料特征的定义加以区别，例如定义声腔材料的空气属性。接下来需要定义两种网格的连接关系。如果结构网格和声腔网格不兼容，这时就需要一种网格映射工具。如图2所示。
图2 使用网格映射工具将3种网格连接起来
网格映射
网格映射是处理不兼容的结构网格和声学网格连接的自动过程。运用该方法时可以灵活修改网格映射操作过程中的任何一个参数。通过修改参数操作的可以更好地理解操作过程。在Virtual.Lab starts 里，该方法可以自动创建主要声腔的外层，并且使声腔外层上的指定节点与结构网格上的“X”个节点连接。软件提供了完整的预置参数。也可以通过设定搜索距离“Y”mm，程序将自动生成关于声腔外层上的这个指定节点与结构网格上在搜索距离“Y”mm
内的“X”个节点之间的网格映射矩阵。与这个声学节点连接的结构上的所有节点称为湿面节点。Virtual.Lab预定义里设置了四个节点和10mm，一般这足以创建良好的耦合关系。Virtual.Lab里还可以生成结构和声腔外层网格节点间最大与最小距离的图示。
Nastran强迫响应分析
使用Nastran，客户可以进行耦合模态（Nastran 103）计算，也可以进行强迫响应计算。当在Nastran进行强迫响应计算时，在Virtual.Lab里必须定义为声振耦合分析。如果已经定义了声学和结构网格，软件会自动处理两者间的链接关系。客户只需要定义输入载荷和结果输出的点。载荷可以是直接测试的数据或来自excel表。可以通过节点号或节点坐标（在搜索容差范围内最近的点）确定施加载荷的点。在Virtual.Lab里给结构施加载荷是非常灵活自如的。另外还需要确定Nastran结果输出形式，在Virtual.Lab里支持NASTRAN SOL 103,107等。
第二种方案：用声学传递向量技术（ATV）的设计迭代方案
该方案能使工程师发现问题，细化、改进结构设计，可对分析结果做更多细节分析。该方案能提供大量的分析数据，可用于快速有效地重新计算，实现优化设计。该方案用FE求解器计算结构模态，利用Sysnoise求解器计算内部辐射声场。仿真过程如下：
该方案总的准备时间比第一种方案时间稍长，但计算时间比第一种方案要少得多，因为可以选用子结构技术计算结构的模态，例如AMLS。对多工况运算，时间可以更快。如果利用LMS Virtual.Lab预定义模版，准备时间可以更短。在准备过程中也会用到网格映射工具，将两种不兼容的网格连接到一起，以完成数据传递分析。
结构模态
结构模态可以利用任何一款主流有限元程序包计算，如Nastran，Ansys，Abquas等。LMS Virtual.Lab可以直接读取客户使用的有限元程序的结果文件，读入结果后还可以对模态施加粘性阻尼。另外LMS Virtual.Lab能缩减有限元结果文件的规模。LMS Virtual.Lab利用网格映射技术快速有效地定义湿面，做声学分析时只需该表面上的有限元结果数据。因此有限元结果的文件规模可以大大缩减（如从几个GB到100MB）.
基于模态的强迫响应分析
在这个过程中，通过强迫响应求解器，得到振动结果，振动结果可以是模态参与因子的形式，也可以是面板的实际振动。面板振动方法可以用于面板贡献量分析。强迫响应分析要求定义输入和输出点。一旦定义了输入点就可以施加结构载荷。结构载荷可以是测试数据，也可由CAE分析得出。
数据传递分析
数据传递分析是仿真分析准备中的关键一步。这一步要求客户将结构模态映射到声腔网格上。软件首先利用Mesh Mapping （网格映射）工具建立起结构网格和声学网格的连接关系，然后选择结构模态投影到声学网格上，之后就可以在声学网格上得到缩减的结构模态。这些模态用在MATVs响应分析中。
场点网格生成
将场点网格定义在要查看结果的位置上，能够减少结果数据总量。一般地，整个有限元声腔网格上都会产生结果数据，存储这些结果数据需要花费很多时间。一种很好的方法是在要查看结果的位置上定义少量的网格，像司机和乘客的耳朵处。生成声学传递向量（ATVs）也需要用到场点网格。如图3所示。