民機(jī)艙室結(jié)構(gòu)建模及基于FEM－BEM的輻射噪聲仿真分析

王麗麗，李舜酩，于國強(qiáng)，王 前

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京 210016)

民機(jī)艙室結(jié)構(gòu)建模及基于FEM－BEM的輻射噪聲仿真分析

王麗麗，李舜酩，于國強(qiáng)，王 前

(南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇南京 210016)

針對ANSYS不能直接得到民機(jī)艙室聲場響應(yīng)特性的問題，結(jié)合ANSYS和SYSNOISE，提出了民機(jī)艙室振動聲學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算方法。以某型客機(jī)機(jī)艙為原型，基于HYPERMESH建立了有座椅機(jī)艙網(wǎng)格模型。利用ANSYS進(jìn)行機(jī)艙結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析，得到了結(jié)構(gòu)振動頻響特性。將結(jié)構(gòu)振動位移結(jié)果作為邊界激勵條件導(dǎo)入SYSNOISE中，采用直接邊界元法最終得到了艙內(nèi)聲壓頻響特性。給出了ANSYS與SYSNOISE的軟件接口方法，解決了兩者間的數(shù)據(jù)兼容問題，為進(jìn)一步的聲場優(yōu)化分析提供了參考。

民機(jī)艙室;振動聲輻射;有限元;邊界元

目前，國內(nèi)民航事業(yè)正處在高速發(fā)展時期，在飛機(jī)的安全性、飛行性等均得到顯著提升的背景下，飛機(jī)的強(qiáng)噪聲環(huán)境對其結(jié)構(gòu)的影響日趨嚴(yán)重。飛機(jī)強(qiáng)噪聲不僅對機(jī)組人員和乘客的舒適度有影響，還會對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，降低飛機(jī)內(nèi)部儀器設(shè)備的使用精度，縮短飛機(jī)使用壽命，影響飛行安全。因此，對飛機(jī)噪聲控制技術(shù)與方法的研究具有非常迫切和重要的意義。

民機(jī)艙室的輻射噪聲主要是動力裝置產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動噪聲［1］。艙內(nèi)噪聲通過固體結(jié)構(gòu)部件傳播振動至艙體，引起艙體振動，再由艙壁板振動，形成聲輻射。針對結(jié)構(gòu)振動與聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數(shù)值算法兩類［2］。前者一般適用于結(jié)構(gòu)、幾何形狀規(guī)則且邊界條件簡單的振動聲輻射問題，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聲輻射問題一般采用數(shù)值算法［3－5］。

ANSYS軟件是一款集結(jié)構(gòu)、熱、流體、聲學(xué)于一體的通用有限元分析軟件。它能夠解決多場耦合問題，如流體－結(jié)構(gòu)耦合等，也可用于計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動與聲學(xué)問題。但是計(jì)算量較大，對計(jì)算機(jī)硬件和內(nèi)存要求較高，而且聲場的后處理功能很弱，不能給出人們非常關(guān)心的聲學(xué)量，如結(jié)構(gòu)的輻射聲功率等。SYSNOISE軟件作為專業(yè)的聲學(xué)和振動分析軟件，易于得到結(jié)構(gòu)的輻射聲功率、聲場速度分布和聲壓分布等聲學(xué)量，目前主要應(yīng)用在船舶、汽車領(lǐng)域［6－7］。因此，在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)噪聲數(shù)值分析時，采用ANSYS和SYSNOISE進(jìn)行仿真，既能便于對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析，又能很好地處理復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動聲學(xué)問題。

本文主要是針對A320型號的民航機(jī)艙，采用有限元與邊界元相結(jié)合的方法，并結(jié)合ANSYS和SYSNOISE，從有限元網(wǎng)格模型的建立、諧響應(yīng)分析、邊界條件的加載這幾方面，對機(jī)艙結(jié)構(gòu)的輻射聲場進(jìn)行仿真分析。

1 機(jī)艙模型的建立

HYPERMESH作為具有強(qiáng)大有限元網(wǎng)格劃分前處理功能的應(yīng)用軟件，支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型，同時本身具有較強(qiáng)的幾何建模功能。本文使用該軟件，以某型客機(jī)機(jī)艙為原型建立簡化艙室模型。

機(jī)艙幾何模型軸向長度為2.4m，蒙皮殼體直徑為2m。內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括窗戶、內(nèi)艙、地板、加強(qiáng)框、天花板以及支板等?？紤]到座椅對艙內(nèi)聲場的影響，在客艙內(nèi)前、中、后3處各放置一排座椅。隔墻位于機(jī)艙兩端，將圓柱殼封堵，從而可以近似成真實(shí)的艙室結(jié)構(gòu)。

在劃分網(wǎng)格之前需要確定網(wǎng)格單元的尺寸。對于線性有限元模型和邊界元模型來說，一般假設(shè)在最小波長內(nèi)要有6個單元，即最大單元的邊長需要小于計(jì)算頻率(或者最高計(jì)算頻率點(diǎn)處)最短波長的1/6。綜合考慮計(jì)算可以達(dá)到的精確度、建模的復(fù)雜程度以及求解成功的可能性，本文在兼顧計(jì)算精確性和計(jì)算速度的基礎(chǔ)上，取模型網(wǎng)格的單元長度為50mm，該有限元模型共15 811個單元。機(jī)艙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 機(jī)艙結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型

綜合考慮計(jì)算效率和分析結(jié)果的合理性，在進(jìn)行有限元分析時，將座椅簡化成一系列集中質(zhì)量單元，放置于相應(yīng)區(qū)域。在聲場分析時，將座椅網(wǎng)格模型作為剛性壁面導(dǎo)入SYSNOISE中，從而得到機(jī)艙結(jié)構(gòu)座椅處的聲壓分布曲線。座椅網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 座椅網(wǎng)格模型

2 機(jī)艙輻射聲場分析方法

采用ANSYS和SYSNOISE進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算分析的流程如圖3所示。具體步驟如下:

a．采用 HYPERMESH軟件建立機(jī)艙幾何模型，使用殼單元(shell63)和梁單元(beam188)，對機(jī)艙模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到結(jié)構(gòu)有限元模型。

b．將上述有限元網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS中，對機(jī)艙結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，并將艙室結(jié)構(gòu)的振動位移數(shù)據(jù)保存為*.fre格式的文件。

c．將*.cdb格式的網(wǎng)格模型和*.fre格式的結(jié)構(gòu)振動位移結(jié)果導(dǎo)入SYSNOISE中，設(shè)置流體屬性、求解頻率范圍及步長。

d．進(jìn)行聲輻射響應(yīng)分析。

圖3 有限元與邊界元仿真分析流程

3 數(shù)據(jù)接口流程

在對機(jī)艙進(jìn)行聲學(xué)特性分析時，需要將在ANSYS得到的諧響應(yīng)分析結(jié)果和聲學(xué)網(wǎng)格模型作為邊界條件輸入。但ANSYS計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)格式與SYSNOISE能夠識別的有一定的差別，因此需編寫格式轉(zhuǎn)換程序，將諧響應(yīng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE能夠識別的數(shù)據(jù)文件，同時將網(wǎng)格模型以*.cdb格式導(dǎo)入SYSNOISE中作為聲學(xué)模型。接口流程如圖4所示。

圖4 ANSYS與SYSNOISE間的接口流程圖

4 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

4.1 簡諧激勵下的位移響應(yīng)

在諧響應(yīng)分析時，由于A320客機(jī)的發(fā)動機(jī)懸掛在機(jī)翼兩側(cè)，會在機(jī)翼處產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的振動，再通過機(jī)翼與客機(jī)座艙連接處傳遞到飛機(jī)客艙，進(jìn)而引起座艙內(nèi)的結(jié)構(gòu)振動，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)輻射噪聲。為了盡量模擬真實(shí)情況，進(jìn)行諧響應(yīng)分析時，在機(jī)翼與客艙連接區(qū)域，施加x方向、大小為10N的簡諧激振力載荷;對客機(jī)座艙結(jié)構(gòu)單元施加約束，使得機(jī)艙結(jié)構(gòu)的平動和轉(zhuǎn)動位移為零，去除結(jié)構(gòu)自身的剛體自由模態(tài)。

由于該方法主要適用于低頻分析，因此本文選取的諧響應(yīng)分析頻率為20～200Hz，觀察機(jī)艙結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)的位移響應(yīng)情況，其坐標(biāo)為A(－0.94，0.35，0.4)、B( －0.96，－0.26，1.7)、C( －1，0，1.75)。位移響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 機(jī)艙結(jié)構(gòu)表面各點(diǎn)位移響應(yīng)曲線

由圖5可知，機(jī)艙結(jié)構(gòu)的振動主要在頻率為64Hz處，該頻率下的結(jié)構(gòu)共振最為密集，使得結(jié)構(gòu)表面的振動位移達(dá)到最大;在頻率為100Hz和170Hz附近處，機(jī)艙結(jié)構(gòu)也有較密集的共振，但相比64Hz處的結(jié)構(gòu)振動位移要小一些。

4.2 機(jī)身結(jié)構(gòu)的輻射聲功率

將機(jī)艙聲學(xué)模型導(dǎo)入SYSNOISE中，并將諧響應(yīng)位移數(shù)據(jù)結(jié)果導(dǎo)入SYSNOISE作為邊界條件，計(jì)算得到機(jī)艙結(jié)構(gòu)聲輻射功率曲線，如圖6所示。圖6與圖5對比可知，兩者具有較好的對應(yīng)性，在結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)較高的頻率段內(nèi)，結(jié)構(gòu)聲輻射功率也相應(yīng)增大。

圖6 機(jī)艙結(jié)構(gòu)輻射聲功率曲線

4.3 機(jī)艙座椅處聲壓分布

基于上述分析結(jié)果，可以得到客艙內(nèi)任一點(diǎn)處的聲壓值。我們通常比較關(guān)心乘客耳旁的聲壓值大小，因此在乘客艙室座椅處選取測點(diǎn)。在前、中、后3排座椅處分別選取1個測點(diǎn):前排座椅處(0.45，0.1，0.36);中間座椅處(0.45，0.1，1.26);后排座椅處(0.45，0.1，2.16)。對這3個測點(diǎn)進(jìn)行觀察，測得這3處的聲壓值，聲壓分布曲線如圖7所示。

圖7 機(jī)艙座椅處聲壓分布曲線

由圖7可知，前排座椅測點(diǎn)處的聲壓值較其他兩排座椅的要高一些，這主要是由于前排座椅位于民機(jī)機(jī)艙和機(jī)翼連接區(qū)域附近，受到發(fā)動機(jī)振動的影響較大，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動較其他兩處的要大，因此聲壓值相對高一些。在30Hz處，觀測點(diǎn)的聲壓值到達(dá)一個峰值，然后開始下降。在60～80Hz頻率段內(nèi)，觀測點(diǎn)處的聲壓值較其他頻率段高一些，大約在85dB以上。在110Hz處聲壓值存在一個峰值，140Hz頻率后，測點(diǎn)處聲壓值隨著頻率的增加，變化幅度不大。

5 結(jié)論

采用ANSYS與SYSNOISE結(jié)合的仿真數(shù)值方法對民機(jī)艙室模型進(jìn)行數(shù)值分析，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

a．機(jī)艙結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)越高，結(jié)構(gòu)的聲輻射功率越大，且結(jié)構(gòu)中振動較大位置處的聲壓值也相對較高。

b．給出了將ANSYS中的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為SYSNOISE可識別數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換方法，通過仿真分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

c．得出了機(jī)艙結(jié)構(gòu)振動與聲場分布之間的關(guān)系，為進(jìn)一步的聲場優(yōu)化分析提供了參考依據(jù)。

［1］扈西枝.民機(jī)艙室噪聲源及其特性分析［J］.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2010(2):10－12.

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The Modeling of Civil Aircraft Cabin and Numerical Simulation of Radiation Noise Based on FEM/BEM

WANG Lili，LI Shunming，YU Guoqiang，WANG Qian
(Nanjing University of Aeronautics＆ Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)

To solve lacking of the acoustic ration characteristics in the noise analysis of cabin，it presents a cosimulation method with ANSYS and SYSNOISE software.Taking an aircraft cabin as the prototype，it builds the structural mesh model of a cabin with chairs based on HYPERMESH software，establishes the dynamic analysis of the model，transfers the vibration frequency response analysis result to the SYSNOISE as the boundary conditions for calculating the acoustic pressure frequency response function.It shows the software interface method between ANSYS and SYSNOISE，and solves compatibility problems of the software，illustrates the relationship between structural vibration and acoustic field distribution，provides referential basis for further acoustic field optimization analysis.

Civil Aircraft Cabin;Radiation Noise;Finite Element Method;Boundary Element Method

TB535

A

2095－509X(2013)11－0010－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.003

2013－05－02

航空基金資助項(xiàng)目(2012ZD52054)

王麗麗(1991—)，女，安徽淮北人，南京航空航天大學(xué)本碩連讀生，專業(yè)為推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。