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MBD與聲學解決方案：運動機構(gòu)的噪聲預測
2018-04-03 10:19:36· 來源：CAE部落
減少設計優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品所需的開發(fā)時間和所耗資源，一直是一個重大的產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。不同CAE技術(shù)的集成讓我們朝這個目標向前邁進了一步。本文將討論Adams與Actran，MSC軟件公司的MBD與聲學解決方案，如何組合并集成在一起，使MBD工程師在設計流程的早期洞察運動機構(gòu)的聲學行為具備可能。
減少設計優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品所需的開發(fā)時間和所耗資源，一直是一個重大的產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。不同CAE技術(shù)的集成讓我們朝這個目標向前邁進了一步。本文將討論Adams與Actran，MSC軟件公司的MBD與聲學解決方案，如何組合并集成在一起，使MBD工程師在設計流程的早期洞察運動機構(gòu)的聲學行為具備可能。同時，聲學工程師還可以從聲學結(jié)果的進一步后處理中得到更多有價值的信息。
多體動力學耦合聲學分析
通常來說，預測出自諸如傳輸系統(tǒng)或變速箱這樣的運動系統(tǒng)的噪聲是很難的。如果沒有準確地預測系統(tǒng)動態(tài)如何影響其噪聲性能的能力，工程師們就沒有一個有效的方 法來重新設計他們的系統(tǒng)，以提高聲學性能。傳統(tǒng)的工作流程涉及三個界面，多體動力學（MBD）工具，有限元分析（FEA）工具和聲學軟件。首先，工程師將 需要在MBD工具里執(zhí)行動力學分析以獲取齒輪殼表面的動態(tài)載荷，因為時域結(jié)果通常不能被聲學軟件直接讀取，他們需要在頻域下轉(zhuǎn)換成完全的結(jié)構(gòu)響應，然后， 他們將可以最終把表面振動讀取到聲學軟件中，并用它作為邊界條件。這個工作流程是相當費力的，每次有設計變更時都可能需要多個CAE工程師一起合作。
MSC 軟件公司最近已經(jīng)開發(fā)了一種新的方法，允許工程師在ADAMS界面進行建模，并在沒有手動導出結(jié)果到聲學軟件進行噪聲分析的情況下獲取聲學行為的初步結(jié)果 和印象。這種新工作流程大大減少了對諸如變速箱這樣的運動機構(gòu)進行聲學分析的時間和成本，與傳統(tǒng)方法相比，新方法使工程師對新系統(tǒng)的設計在同樣的時間里能 做更多的迭代。
變速箱的實例
讓我們考慮一個變速箱的例子：齒輪運動引起變速箱的振動，這種振動又會影響齒輪的物理行為從而引發(fā)強耦合問題。振動的變速箱也會將能量轉(zhuǎn)換到周邊流體以及將 能量轉(zhuǎn)換成由其輻射的聲波。同時，聲波也會影響結(jié)構(gòu)振動。然而，如果一方面多體動力學和結(jié)構(gòu)仿真領(lǐng)域通常是強耦合的，并可以同時被求解，而另一方面，當考慮發(fā)生在空氣中的聲輻射時，從聲波到結(jié)構(gòu)的反饋又會被忽略。
要評估的聲學響應，我們可以考慮在變速箱周圍分布一些麥克風。在Adams模型中，變速箱外殼 被考慮成彈性體以捕捉其表面響應。變速箱的剩余部分（如齒輪、軸、軸承等）是剛性部件。建立Adams模型后，執(zhí)行一個5s 動力學分析， 輸入軸的轉(zhuǎn)速從0到3000rpms 加大。從分析中，我們得到了每個組件的負載和接觸力輸出，以及每個系統(tǒng)部件的位移，速度和加速度輸出。以下MBD仿真，仍然在ADAMS環(huán)境中進行，聲學工具啟動以建立諸如聲學網(wǎng)格、無限元半徑、聲速、流體密度、輸出格式、聲環(huán)境（材料）等的聲學分析參數(shù)。這個工具所做的事情，就是將MBD結(jié)果轉(zhuǎn)換成的聲 學模型所需的邊界條件，并在后臺使用新的Actran時域求解器執(zhí)行聲學分析。在Adams環(huán)境中進行聲學仿真時，你可以到MBD后處理器中得到這個變速 箱殼體的一些聲學結(jié)果，比如每個麥克風位置圍繞麥克風的時域下的聲壓演化以及聲音文件（.WAV）。
總結(jié)
CAE技術(shù)集成的先進性使開發(fā)時間和所耗資源減少。本文通過說明如何集成Adams和Actran提高CAE工程師的工作流程效率，提供了一個展示這些好處的例 子。具體而言，將多體動力學和聲學時域分析集成到Adams環(huán)境，使MBD工程師進行產(chǎn)品的初步聲學性能評價。得益于音頻文件的生成，這些評價同時包括了 噪聲質(zhì)量的考察。最后，只有在最相關(guān)的案例中，才需要由聲學工程師在Actran環(huán)境中執(zhí)行高級的后處理。
多體動力學耦合聲學分析
通常來說，預測出自諸如傳輸系統(tǒng)或變速箱這樣的運動系統(tǒng)的噪聲是很難的。如果沒有準確地預測系統(tǒng)動態(tài)如何影響其噪聲性能的能力，工程師們就沒有一個有效的方 法來重新設計他們的系統(tǒng)，以提高聲學性能。傳統(tǒng)的工作流程涉及三個界面，多體動力學（MBD）工具，有限元分析（FEA）工具和聲學軟件。首先，工程師將 需要在MBD工具里執(zhí)行動力學分析以獲取齒輪殼表面的動態(tài)載荷，因為時域結(jié)果通常不能被聲學軟件直接讀取，他們需要在頻域下轉(zhuǎn)換成完全的結(jié)構(gòu)響應，然后， 他們將可以最終把表面振動讀取到聲學軟件中，并用它作為邊界條件。這個工作流程是相當費力的，每次有設計變更時都可能需要多個CAE工程師一起合作。
MSC 軟件公司最近已經(jīng)開發(fā)了一種新的方法，允許工程師在ADAMS界面進行建模，并在沒有手動導出結(jié)果到聲學軟件進行噪聲分析的情況下獲取聲學行為的初步結(jié)果 和印象。這種新工作流程大大減少了對諸如變速箱這樣的運動機構(gòu)進行聲學分析的時間和成本，與傳統(tǒng)方法相比，新方法使工程師對新系統(tǒng)的設計在同樣的時間里能 做更多的迭代。
變速箱的實例
讓我們考慮一個變速箱的例子：齒輪運動引起變速箱的振動，這種振動又會影響齒輪的物理行為從而引發(fā)強耦合問題。振動的變速箱也會將能量轉(zhuǎn)換到周邊流體以及將 能量轉(zhuǎn)換成由其輻射的聲波。同時，聲波也會影響結(jié)構(gòu)振動。然而，如果一方面多體動力學和結(jié)構(gòu)仿真領(lǐng)域通常是強耦合的，并可以同時被求解，而另一方面，當考慮發(fā)生在空氣中的聲輻射時，從聲波到結(jié)構(gòu)的反饋又會被忽略。
要評估的聲學響應，我們可以考慮在變速箱周圍分布一些麥克風。在Adams模型中，變速箱外殼 被考慮成彈性體以捕捉其表面響應。變速箱的剩余部分（如齒輪、軸、軸承等）是剛性部件。建立Adams模型后，執(zhí)行一個5s 動力學分析， 輸入軸的轉(zhuǎn)速從0到3000rpms 加大。從分析中，我們得到了每個組件的負載和接觸力輸出，以及每個系統(tǒng)部件的位移，速度和加速度輸出。以下MBD仿真，仍然在ADAMS環(huán)境中進行，聲學工具啟動以建立諸如聲學網(wǎng)格、無限元半徑、聲速、流體密度、輸出格式、聲環(huán)境（材料）等的聲學分析參數(shù)。這個工具所做的事情，就是將MBD結(jié)果轉(zhuǎn)換成的聲 學模型所需的邊界條件，并在后臺使用新的Actran時域求解器執(zhí)行聲學分析。在Adams環(huán)境中進行聲學仿真時，你可以到MBD后處理器中得到這個變速 箱殼體的一些聲學結(jié)果，比如每個麥克風位置圍繞麥克風的時域下的聲壓演化以及聲音文件（.WAV）。
總結(jié)
CAE技術(shù)集成的先進性使開發(fā)時間和所耗資源減少。本文通過說明如何集成Adams和Actran提高CAE工程師的工作流程效率，提供了一個展示這些好處的例 子。具體而言，將多體動力學和聲學時域分析集成到Adams環(huán)境，使MBD工程師進行產(chǎn)品的初步聲學性能評價。得益于音頻文件的生成，這些評價同時包括了 噪聲質(zhì)量的考察。最后，只有在最相關(guān)的案例中，才需要由聲學工程師在Actran環(huán)境中執(zhí)行高級的后處理。
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