Actran. Программный комплекс для анализа акустики

Actran

Программный комплекс для анализа акустики

Моделирование возникновения, распространения и поглощения шума. Внешняя и внутренняя акустика, виброакустика, аэроакустика, шум газотурбинных двигателей.

Защита человека от шума и вибраций, а также обеспечение акустического комфорта при эксплуатации технических систем являются одними из важных задач при разработке новых изделий в различных производственных отраслях. В ряде случаев обеспечение прочности и долговечности элементов конструкций и работы электронных систем также требует анализа акустической нагруженности. Вычислительные методы анализа акустики активно применяются разработчиками технических устройств для оценки влияния конструктивных параметров изделий на акустические характеристики, для эффективного использования звукопоглощающих материалов, и т.д.

Actran – программный комплекс для моделирования возникновения, распространения и поглощения звука в акустических средах (воздух, вода, и др.). Полностью связанная виброакустическая постановка позволяет учесть взаимное влияние акустической среды и конструкции. В случаях, когда влиянием среды на конструкцию можно пренебречь, возможен учёт односторонней связи; при этом упрощается моделирование и повышается скорость счёта.

В основе Actran лежат методы конечных и бесконечных элементов, позволяющие моделировать акустические эффекты как в замкнутых объёмах (полостях), так и в открытом пространстве с учетом условий неотражения звука на границах расчетной области. Богатая библиотека элементов и материалов предоставляет широкие возможности для моделирования. Основу библиотеки элементов составляют одномерные, двумерные и трехмерные элементы для решения трехмерных, двумерных и осесимметричных задач, многоточечные связи, бесконечные элементы и др. Представленные в Actran материалы позволяют моделировать акустические среды (газы, жидкости), с учетом затухания и вязко-термических потерь в тонких слоях; упругие конструкционные материалы с учетом демпфирования; гиперупругие материалы в линеаризованной постановке; слоистые композиционные материалы; звукопоглощающие материалы в постановках с абсолютно жестким «скелетом», с абсолютно податливым «скелетом» и в общей постановке по теории Biot.

В качестве внешней нагрузки и граничных условий могут рассматриваться источники шума различных типов, моды колебания акустической среды в каналах постоянного сечения, граничные условия по давлению, скорости, ускорению, импедансные граничные условия, силовые и кинематические воздействия на конструкцию в составе расчетной модели, структурные граничные условия, случайные флуктуации давлений акустической среды, объемные и поверхностные источники на основе акустических аналогий Лайтхилла и Мёринга, и др.

Анализ акустики производится, главным образом, в частотной области методом прямого интегрирования. Вместе с этим, поддерживается расчет на случайное воздействие, расчет собственных частот и форм, расчет частотного отклика модальным методом или комбинация модального и прямого методов для акустической среды и конструкции. Также поддерживается расчет переходных акустических процессов во временной области.

Типичные приложения Actran – моделирование внутренних и внешних акустических полей различных транспортных систем, например, моделирование звуковых полей в подкапотном пространстве автомобиля и проникновения шума в салон, моделирование распространения шума по выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания и далее в окружающее пространство, анализ шума в салоне самолета, исследование и подбор характеристик и конструкции звукопоглощающих устройств и покрытий в салонах транспортных средств, и т.д. Кроме этого, возможно проведение акустического анализа характеристик потребительских товаров, таких как динамик мобильного телефона, отдельно стоящие акустические системы,музыкальные инструменты, другие виды звуковоспроизводящих устройств и т.п.

Во многих случаях возникновение шума обусловлено явлением турбулентности в потоке среды (воздуха, воды, и др.). Общеизвестными примерами являются шум газотурбинных и ракетных двигателей, шум от движения транспортных средств, шум в системах вентиляции и кондиционирования, шум судовых гребных винтов и т.д.

Анализ подобных явлений предполагает наличие информации о скоростях, плотностях (где применимо), температурах, давлениях при нестационарном течении среды. Как правило, эту информацию получают путём проведения расчётов гидрогазодинамики в сторонних программах. Базируясь на этой информации, Actran позволяет рассчитать источники шума в потоке с переносом их на акустическую расчетную модель и провести расчет распространения шума, в т.ч., при необходимости, с учетом неоднородного поля средней скорости движения акустической среды (модуль Actran Aeroacoustics). Расчет источников шума в потоке среды производится в Actran на основе так называемых акустических аналогий. Аналогия Лайтхилла предполагает расчёты шума на скоростях Маха до примерно 0,2; аналогия Мёринга - до примерно 0.8 Маха.

Применение гибридного метода (расчёт гидрогазодинамики с последующим расчётом акустики) позволяет устранить проблемы диссипативности численных схем расчёта гидрогазодинамики, обеспечить корректные акустические граничные условия (неотражение от границ ближнего поля, и др.), снижает потребности в вычислительных ресурсах при анализе гидрогазодинамики и обеспечивает относительно невысокие уровни вычислительных затрат на собственно анализ акустики.

Actran позволяет использовать результаты расчёта гидрогазодинамики, получаемые во вращающейся системе координат (например, связанной с вентилятором или гребным винтом), а также для сектора пространства. В этом случае Actran автоматически интерполирует результаты на стационарную акустическую сетку, производит копирование секторов и получает результаты во всём требуемом объёме среды. На следующем шаге результаты переводятся в частотную область и в дальнейшем производится расчёт частотного отклика.

Анализ акустики турбомашин является сложной, но актуальной задачей. Проблемно-ориентированные модули Actran позволяют с высокой точностью моделировать шум воздухозаборников и проточных частей турбомашин (модуль Actran TM), а также шум выходных устройств (сопла) с помощью метода Б.Г.Галёркина с использованием неструктурной p-адаптивной конечно-элементной сетки (Actran DGM).

Высокая вычислительная эффективность счёта в Actran обусловлена применением современных матричных решателей – MUMPS и PARDISO, а также высокой степенью оптимизации математического аппарата, алгоритмов и программного кода.

Важной особенностью Actran является его тесная интеграция с MSC Nastran, которая позволяет эффективно использовать “сильные” стороны каждого из продуктов: анализ колебаний конструкции проводить с применением MSC Nastran (точность и скорость выполнения такого расчёта общепризнанны), а моделирование распространения звука в среде – с помощью Actran. В Actran реализована интеграция и с другими распространёнными системами структурного анализа и анализа гидрогазодинамики. Также с помощью дополнительных модулей Actran интегрирован с системой Adams.

Широкий спектр решаемых задач позволяет применять Actran при разработке перспективных моделей автомобильной, авиационной, космической, железнодорожной техники, потребительских товаров, электроники, промышленных систем добычи и переработки полезных ископаемых, и т.д.

Материалы