车辆NVH、振动噪声控制在车辆车身开发、动力系统、暖通空调(HVAC)系统等领域的有重要应用。声学分析需要考虑声固耦合或声辐射技术,因为涉及到内场的声固耦合分析或外声场的辐射声功率计算,虽然封闭声场可以基于模态法减少计算时间,外声场可以采用格林法或声传递函数等方法减少计算时间,但是,声学网格分网、声固耦合计算还是要花费更长的计算时间,造成企业需要更大的硬件资源和更长开发周期。
在车辆开发前期的动力系统开发或车身开发中,我们可以通过抑制结构表面法向振动速度缩小辐射噪声,同时,精确识别结构局部模态对辐射噪声影响。利用ERP分析,可以在频率响应分析中快速获取特定激励下部件与面板的最大潜在声辐射数据,从而准确定位结构中声辐射最大的区域。基于这一结果,可采取结构优化措施(如对钣金件进行形貌优化)或增加阻尼片等方式,有针对性地抑制结构表面振动,进而有效降低结构振动产生的辐射噪声。
等效辐射功率
等效辐射功率(Equivalent Radiated Power, ERP)分析作为一种表征结构振动声辐射的计算方法,自2008年引入MSC Nastran软件,经过多年开发与更新,功能与优势如下:
✔ 支持分析类型:频响分析和瞬态分析。
✔ 峰值点输出:与PEAKOUT结合,支持系统自动识别峰值点,一步分析输出或用户自定义频率输出点。
✔ 支持模态贡献率分析:将面板等效声辐射分解到面板局部模态。
✔ 计算高效性:无需对流体媒质进行建模,计算速度快。
✔ 支持ERP辐射值为设计响应:基于ERP的优化对计算资源与时间的要求显著低于声学响应优化,适用于拓扑/几何驱动的声学设计。
✔ 阻尼表征能力:定义局部结构阻尼研究对ERP影响。
✔ 分析结果格式:csv、OP2、PCH、H5格式,展示和二次处理方便。
ERP相关理论
ERP与结构节点的法向振动速度以及表面积相关,因此,需要定义ERP面板,计算公式如下:
这里,α= ½为频响分析,α=1为瞬态分析。
ERPRHO, ERPC, ERPRLF, RHOCP和ERPREFDB 可以通过PARAM,参数名,value 定义或者通过下面关键字直接输入。
若以分贝为单位,可以将ERP表示为ERPDB级,即式中默认参考功率。
输出结果格式支持:
同时,支持输出到*.csv文件中,方便整理。
MSC Nastran分析流程
以频响分析为基础,介绍典型REP分析流程。
具体的操作流程如下:
1. 定义等效辐射面板:通过Set定义参与ERP计算的结构振动表面的单元.
2. 定义工况:设置频响(SOL 111)或瞬态(SOL 112)分析工况(模态法和直接法).
3. 定义csv输出通道号.
4. 定义ERP流体媒质的声速、密度、辐射效率:通过PARAM, ERPRHO、PARAM, ERPC和PARAM, ERPRLF等,
完整的工况与求解文件如下图:
以下图所示车后门为例,通过ERP分析可获取面板等效辐射功率随激励频率的响应特性以及相应的法向速度云图,进而识别结构中的高辐射区域及显著声辐射对应的特征频率。
通过python读取csv数据,显示如下:
通过Patran软件读取h5文件,显示法向速度显示如下:
利用ERP能够快速识别表面法向振动速度大的板件、频率点,在开发初期,能够帮助我们快速识别关键区域,指导结构设计或阻尼处理。