全频段振动噪声模拟软件VA One

V A One

振动声学解决方案

1．概述

ESI 集团旗下的振动噪声系列解决方案是全球技术最领先、最完善的解决方案，包括全频段振动噪声模拟软件V A One ，高频冲击响应分析软件SEA Shock ，声学材料解决方案Foam-X/Nova。

2．全频段振动噪声模拟软件V A One

VA One是法国ESI 集团于2005年推出的全频段振动噪声分析的模拟环境，代表着ESI 集团在振动噪声模拟、分析和设计方面的最新技术，被业界专家评为振动噪声工程近二十年来最重大的突破。

VA One把有限元分析（FEA ），边界元分析（BEM ），统计能量分析（SEA ）及其混合分析集中于一个易于进行模拟的环境。同时，VA One提供有限元、边界元和统计能量分析一种严格的耦合形式，能够统一而可靠地进行全频谱范围的求解。

从2004年以来，汽车，航空和铁路领域的一些世界性企业参与了ESI 集团的结构噪声共同体（SBNC- Structure-borne Noise Consortium）项目，对发展和验证VA One方案做出了重要的贡献。联盟成员包括：空中客车德国部（Airbus Deutschland GmbH），波音商业飞机（Boeing Commercial Airplanes），庞巴迪运输（Bombardier Transportation），欧洲航空防务及航天公司研发中心（EADS CRC Research Centre GmbH ），本田汽车（Honda Motor Co），三菱电机（Mitsubishi Motor Co），英国QinetiQ Ltd，立达汽车系统（Rieter Automotive Systems ），大众汽车（Volkswagen AG）等。

VA One包含有一系列的内部求解器，从而可以满足对振动噪声分析的需要。另外，这一工具软件还包括有与外部求解器的接口，以确保与目前振动噪声分析和设计过程的兼容性。VA One具有很大的灵活性，可以让用户选择基于成本、时间和计算资源的最佳模拟方案。这一软件还包含有强有力的管理工具，以快捷地根据CAD 和FEA 的数据建立模拟模型。VA One方案还提供了一个广泛的附加模块库，以确保软件可以集成于现有的CAE 和设计过程中。例如，SYSWELD 用于获得不同焊接连接具体的材料和几何属性。这个结果输入给VA One ，用于在一个耦合的有限元/SEA分析中定义局部连接细节。这种方法提供了一个评估复杂系统振动－声学响应考虑不同焊接和热处理过程影响的高效途径。

经庞巴迪运输集团授权

2.1软件功能及模块

VA One是您振动-声学仿真和设计所需的唯一环境。无论您仿真的是汽车firewall 的声学传输损失或创建整架飞机的振动声学响应系统级模型，VA One有你全频段振动声学仿真所需的全部方法。基于工业标准软件对中频和高频噪声和振动设计AutoSEA2，并外延到包容中频和低频方法（利用RAYON 求解器），VA One是市场上唯一的在一个公共环境包括完整频谱振动噪声分析方法的仿真软件。VA One还设定了易于使用的新标准；VA One是有现代用户界面的标准Windows 桌面应用，快速，直观并易于使用。利用VA One你能够更快获得结果。花费时间求解噪声和振动问题远胜过学习复杂CAD/CAE系统或再学习大量不同分析软件的用户界面。利用VA One你能够在一个统一的环境下噪声－声学问题所需的全部功能。

VA One的核心功能分为五个模块：SEA 模块, Structural FE模块, Acoustic FE模块, Acoustic BEM 模块和Hybrid 模块。增加一个新的模块是非常简单而直观的，就能够使该方法模拟给定频率范围振动－声学系统的响应。而且，大量的扩展模块和脚本有助于客户化VA One满足特殊的需要。这些扩展的模块提供了几乎所有想要的，在VA One一个环境中从为特殊应用客户化模型模板到写客户脚本和界面的完善开发工具。VA One具有非常高的灵活性满足分析需求。可以看到为什么越来越多的公司选择ESI 的软件来解决他们的振动－声学仿真需求，VA One是如何帮助你改善产品的噪声和振动性能。

2.1.1低频结构振动及噪声分析功能

VA One具有低频结构振动和噪声分析的综合性功能，专门用来分析三维复杂结构在机械和声学载荷下的振动噪声特性，能够解决耦合和非耦合的问题。它包含了一整套集成的强大的计算结构声学技术，包括：间接边界元法（Indirected BEM）和有限元法（FEM ）。其中，边界元法可以解决外声场辐射的问题；有限元法可以解决内声场的问题。此外，VA One还提供了BEM-FEM 混合方法作为补充，将上述两种技术相结合，来找到针对工程实际问题的最合适的方法。这样将各种技术结合的方法也同时让用户获得最多的关于结构振动和噪声方面的信息：空腔模态参数、流固耦合响应、向外部流体的声波辐射等物理量。

V A One的低频结构振动和噪声分析包含以下几个模块：

l Structural FE

结构有限元环境模块，提供了基于外部有限元求解器进行结构随机振动分析的功能，用户可以选择MSC.NASTRAN 的求解器进行结构随机振动的分析以及前后处理器。此模块提供了内置的非结构网格的划分功能以及模态动画显示的功能。

l Cosmic Nastran Solver

VA One提供的内置Cosmic Nastran有限元求解器是一款通用的有限元求解器，可以进行结构的随机振动分析和声辐射分析。完全内置的有限元求解器，利用VA One软件可以直接求出有限元模型的整体模态，局部质量特性和局部频带内模态数量。

l Acoustic FE

VA One软件提供了声腔的有限元分析功能，包括内置的非结构网格划分功能以及声学有限元求解器。用户可以对空腔进行网格划分，并进行模态分析得到空腔模态参数。

l Acoustic BEM

VA One软件提供了外声场的确定性分析功能，利用间接边界单元方法，对外声场和结构的声辐射进行确定性的分析。可以很方便的进行边界单元划分，可以得到外声场的声压级分布以及压力波传播方向。

2.1.2 高频结构振动及噪声分析功能

VA One软件的高频分析功能的完全集成了振动噪声领域著名软件AutoSEA2，利用该软件的统计能量分析（SEA ）的分析方法来降低设计噪声和振动。

高频SEA 分析方法从能量的角度来分析复杂结构在外载荷作用下的响应。它从某种程度上忽略了结构的具体细节, 同时也很好地解决了声场与结构间的耦合问题。对于受高频、宽频带随机激励的复杂结构动力响应问题, 用VA One SEA可以有效的加以解决，并且可以在产品的早期研发阶段发现设计中潜在的噪声和振动问题，避免重复设计，有效降低成本。

经过三十多年的不断发展，很多公司已经发现SEA 是解决噪声和振动问题的有效方法，特别是AutoSEA2推向市场以后，带给用户第一个易于使用的SEA 工具，具有简单的图形界面。VA One高频分析功能，继承了AutoSEA2的优势，以前要经过数天才能建立的复杂模型，利用VA One SEA可以在几分钟内建立起来。

VA One的 高频分析功能包含以下几个模块：

l AutoSEA (VA SEA Module)

VA SEA分析方法从能量的角度来分析复杂结构在外载荷作用下的响应，它从某种程度上忽略了结构的具体细节，同时也很好地解决了声场与结构间的耦合问题。对于受高频、宽频带随机激励的复杂结构动力响应问题, 用VA SEA可以有效的加以解决。

l SEA Variance

VA One Variance模块采用非常成熟的算法，可预测大量名义相同的振动声学系统的平均响应。Variance 模块还将此功能进行扩充，用户可以得到这些振动声学系统平均响应的置信区间，进而可以完成以下工作：

1、对指定产品，VA One可以预测其到达性能保证标准的概率；

2、通过对名义上相同的振动声学系统的平均响应和置信区间的分析，指导进行设计修改以降低其响应；

3、预测敏感部件振动响应幅值；

4、对于指定的振动声学环境，预测响应的上限

l Sound Package module

简化在SEA 子系统上增加和删除噪声处理材料的方法。

l Path 49 module

采用NASA 格林研究中心的声辐射公式对SEA 子系统上的集中质量进行简化处理，得出合理的声辐射效率。

2.1.3中频结构振动及噪声分析耦合求解功能

在低频段，结构中波的波长与结构尺寸相差无几或者较大时，通常最好采用有限元方法（FE ）进行模拟。在高频段，结构中波的波长与结构尺寸相比非常小，最好采用统计能量分析（SEA ）方法进行模拟。在中频段，只采用FE 方法或者SEA 方法都不能很好的描述整个系统，需要将FE 方法和SEA 方法结合起来，建立混合模型（Hybrid Model）来描述整个系统，采用耦合求解器进行分析。VA One是目前唯一能够进行Hybrid Model建模和分析商业软件。

V A One 的中频分析功能是需要建立在低频和高频分析的基础上，因此除了需要之前提到的模块之外，还需要耦合求解器：

l Coupled Solver

VA One的耦合求解器提供了全频谱分析的功能，能够进行FE/BEM/SEA严格的耦合求解分析。

2.1.4 其它分析功能及模块

l Foam module

Foam module采用平面波传播模型，并用完整的Biot 理论对其进行修正，在固体材料或泡沫结构框架中考虑纵波和横波，可以预测多层处理煤质的吸收系数和插入损失。在Foam module 的帮助下，用户可以用VA One软件预测复杂的多层能量吸收噪声控制处理。

l Wheel-Rail module

机车轮轨噪声模块，采用Remington 模型和SEA 方法分析轮轨噪声辐射。

l Template Modeler module

快速模板建模块，提供了快速创建模板和修改模板的功能。

l CAD Import modules

CATIA 、CATIA V5、 PRO-E 、STEP 等CAD 软件的模型数据接口。

l Quickscript module：VA One内置脚本语言

l Matlab

(R) Developer Kit module：VA One、Matlab 接口程序 l C/C++ Developer Kit module：VA One、C/C++ 接口程序

2.2软件的特点及规格

n 定义几何

Ÿ 从现有CAD （IGES, CATIA, PROE, SAT, STEP）或有限元（UNV ，BDF ，CBD ）

模型中输入

Ÿ 从零创建：首先创建SEA 子系统，然后划分系统中必要的区域的网格

n 定义材料属性

材料属性和子系统属性的定义存储在基于excel 电子表格的浏览器窗口中，可以手工建立或自动从有限元BDF 文件读入，并与三维模型显示窗口完全相关联。材料属性和子系统属性可以包括以下内容：

Ÿ 流体；各向同性固体；正交各向异性固体；粘弹固体；纤维；泡沫材料

Ÿ 梁，均匀，夹层板；复合材料，单层板，加筋板

Ÿ 支持定义和编辑NASTRAN 材料和物理属性卡

n 创建子系统

提供内置的非结构网格划分功能（自动在SEA 和有限元子系统间进行转换），并有网格粗化和细化的功能。V A One支持以下子系统格式：

Ÿ 完备的结构和声学流体SEA 子系统库

Ÿ 有限元FE 结构子系统

Ÿ 边界元流体BEM Fluid子系统

Ÿ 对SEA 板子系统施加预拉伸和预压缩条件以及流体负载

Ÿ SEA 半无限流体

n 子系统连接

具备完备的点、线、面连接库用于耦合任意数量的有限元和SEA 子系统。具备自动连接功能，并且支持用户定义连接。

n

创建载荷

，约束和传感器

在有限元FE

和SEA 子系统创建载荷和约束，载荷和约束包括：

Ÿ 有限元或SEA 子系统上施加集中力和力偶

Ÿ 有限元和SEA 子系统上施加随机分

布的压力载荷：

波音商业飞机公司授权 扩散声场，湍流边界条件，平面波场

Ÿ 边界元流体子系统施加点源、平面波

以及刚性面约束

Ÿ 用户定义输入功率

Ÿ 测量的能量或工程单位约束

Ÿ 对模型中任何必要的有限元模态增

加多个结构传感器（虚拟加速度计）

n 求解中间FE/BEM结果

求解有限元模型的总体模态，局部质量属性和局部带宽内的模态，使用内置全功能有限元求解器（基于Cosmic Nastran）或与外部有限元求解器的完全接口（MAC Nastran,支持超单元）。

Ÿ 输出bdf 格式有限元子系统

Ÿ 输入来自Nastran 的f06/pch和Ansys

的rst 结果文件

Ÿ 输出unv 格式边界元结果文件

n 查看中间结果

查看诸如输入功率，耦合损失因子，有限元模

态振型，腔体声学模态，模态辐射效率等有限元、边界元和SEA 模态属性。

n 求解FE/SEA，FE/BEM全耦合模型

求解有FE 模型，BEM 模型和SEA 模型或全耦合模型，计算结构随机振动响应以及辐射声压级，辐射声功率等。

Ÿ 包括工业标准AutoSEA 统计能量分析求解器

Ÿ 包括低频成熟的Rayon 边界元分析求解器

Ÿ 高级后处理计算有限元子系统的等效SEA 属性

Ÿ 完全执行能量流/EIC和VSEA 方法

n 分析FE/SEA，FE/BEM全耦合结果

利用下列参数比较设计更改：

Ÿ 可编辑的X-Y 图显示

Ÿ 列表结果

Ÿ 可视化控制

Ÿ 大量振动谱响应集包括波和

模态属性，功率能量和耦合损

失因子

Ÿ 空间分布云图显示

Ÿ 全模态动画和A VI 输出功能

2.3软件的竞争优势

n 快速工程响应能力

从工程应用实践角度看，仿真模拟需要快速的结果响应。很多公司设计了优化过程满足这种特殊的需求，这种情况下使用专门的计算和优化是快速准确模拟的关键。

V A One 不仅提供了一个高效的综合所有方法的操作环境，还以比现有方法快几个数量级的速度处理问题。这种创新的技术能够让设计师利用最好的技术，减少建模的要求并快速确定一个高效、快速和准确的求解。

n 世界第一个全频集成振动－噪学模拟环境

在V A One耦合求解之前，“中频范围”振动－声学问题的求解是十分困难，甚至不可能的。绝大多数问题需要在有限元分析和统计能量分析及边界元分析间进行迭代求解，各自的分析使用本身不同的模型，而且结果和模型完全不兼容。

V A One 软件的全频解决方案彻底解决了这个问题，是一个完全集成的工具，能够让用户在全频范围内，一个环境下用一个模型一个软件求解完全耦合的问题。V A One开放的体系提供了立即增加设计生产力而不产生对未来挑战的综合响应。

飞机机身模型

蒙皮和桁条采用SEA 加筋板子系统建模；框架和地板梁用有限元建模 n

具有更大投资回报率

V A

One 可以与外部编程语言诸如MA TLAB 和iSIGHT 集成计算和优化来驱动外部工具，让用户改善内部CAE 方法，通过集成这些创新的技术，直接用于用户当前的设计过程，从而减少上市时间。

VA One与强大的用户化工具的耦合扩展性提供一个环境，能够满足当今及未来对模拟的需求，保证长期的投资回报率。

2.4软件的解决方案及应用案例

工业和应用

汽车/地面车辆

- 汽车，卡车，公共汽车和地面车辆的内部声学质量设计

- 为供应商创建系统级模型和组件级目标－设计更安静的发动机和机车部件。 - 内部声学安装和阻尼处理执行重量/成本优化－诊断空气传播和结构传播通过白车身和部件。

- 预测排气管，消声器和进风口的噪声辐射

建筑

- 创建办公楼，酒店，剧院和公寓高效系统级模型

- 优化HVAC 系统，冷却器，压缩机，风扇和电机的振动噪声性能

- 预测通过不同建筑结构TL 和侧面路径and flanking paths through different building constructions

- 预测新隔离物设计和建筑的吸收和隔声

- 考查不同噪声障的声学性能

航空航天

- 商业、公务和军用飞机内部噪声设计

- 优化新轻质材料和构造的振动－声学性能

- 优化噪声控制处理设计来减重并提高燃料效率

- 定义随机振动，声学和冲击环境并规定运载火箭和卫星可接受的和限定级别 - 分析主要结构、卫星和关键飞行设备由于声学、随机振动和冲击环境的响应 消费电器

- 诊断消费电器诸如洗碗机、洗衣机、电冰箱和电动工具的传输路径和主要来源。 - 定义计算机和电子设备的电机和风扇需求规范

- 设计部件，包装和外壳来使噪声辐射降至最低

- 优化扬声器、手机等的声学品质

海军/船舶

- 创建船舶，潜艇和豪华游艇的系统级噪声和振动模型

- 设计降低水力和机械流动对声纳自身噪声的贡献

- 将信号噪声辐射降至最小并减少水下噪声辐射

铁路

- 内部声学品质的设计

- 分析轮－轨交互作用，发动机和气动噪声

- 模拟列车经过噪声和城市噪声冲击

- 诊断传输路径并优化内部声学sound package

过程和工业机械

- 对加工设备设计噪声控制措施来消除操作者/居住者的听力损失

- 确保用最低的额外成本满足政府噪声级和外露条例

航空工业

Ø 机身噪声传递路径最完善的建模方案

V A One的Hybrid 模块为飞机机身传递路径提供最完善的建模方案，飞机机身模型，蒙皮和桁条采用SEA 加筋板进行建模，而框架和地板梁用有限元进行确定性建模。

ESI US R&D、ESI Virginia Tech与NASA Langley研究中心、Boeing 公司进行了两年的合作，论证V A One Hybrid模块，并且针对Boeing 767飞机机身结构进行了验证。 Ø 飞机舱室噪声系统级分析方案

V A One的SEA 方法是目前唯一的系统级噪声分析方法，为飞机系统级舱室噪声分析提供最佳解决方案。

航天工业

Ø 负载声环境分析方案

大型运载火箭在发射或者飞行状态时，整

流罩内的负载会承受很强的声激励作用，预测

负载所处的声环境，设计整流罩隔声吸声性能

对设计人员来说非常重要。

采用V A One的扩散声场激励（DAF ）和

半无限流体子系统（SIF ）可以完美的模拟发

射状态下整流罩周围声环境，SEA Acoustic用

于模拟内部声场。

V A One的多孔噪声材料处理能够更好的

模拟材料的吸声性能，从而更准确评价设计吸

声方案。

Ø 负载声激励作用下动响应分析方案

在发射状态下，负载要承受很强的声载荷，这对负载的结构，特别是一些敏感的设备（如太阳翼帆板）的稳定性提出了更高的要求。

V A One的Hybrid FE/SEA方法可以有效的预测声载荷作用下结构的动响应，从而结构设计的有效性。

ACTS Hybrid FE/SEA model

25 Hz 50 Hz 100 Hz

Ø 飞行状态下湍流边界层解决方案

V A One 采用一系列成熟的半经验公式模拟飞行状态下结构表面的湍流边界层（TBL ）脉动压力以及空间关系函数。

船舶行业

发动机、汽轮机、减速器、水泵等设备在工作状态下会导致舰艇的振动，舰艇上各个舱段产生不同程度的辐射噪声。而舰艇舱段内也会产生不同程度的噪声，影响工作人员的工作以及身心健康。

V A One SEA 方法是目前进行舰艇系统级舱室噪声分析的唯一手段，V A One Hybrid FE/SEA方法为确定设备动力载荷提供了可能。

Ø 舱室噪声分析方案

Offshore platform

Trim layer

V AUC, Cologne 2007, ISVR

Ø 水下辐射噪声分析方案

V A One的SEA 方法，Hybrid FE/SEA方法，FE/BEM方法为水下声辐射分析提供了最全面的理论基础。

汽车行业

汽车的驾驶舒适性已经逐渐成为消费者主要考虑的性能指标之一，同时行业对汽车运行时产生环境噪声的要求也越来越严格，这就要求汽车设计制造企业加大研发的投入，特别是对CAE 仿真的投入。全球许多跨国汽车企业对此都非常重视，而且选择了V A One 作为CAE 仿真的工具之一。

Ø 汽车舱室噪声分析方案

Ø 其它分析方案

Automotive Muffler

机车行业

机车舱室噪声分析

Courtesy of Bombardier Transportation

电子行业

Ø PC 机噪声问题分析方案

Power In (Fans, Drives) Noise Radiation

Energy Distribution V A One 辐射噪声模型

FE Detail Model of Driver

Ø 电子行业其它解决方案及应用

手机辐射声场分析

扬声器辐射声场分析

洗碗机辐射噪声分析

高频冲击响应分析软件 SEA Shock

SEA Shock模拟结构在高频脉冲载荷作用下的瞬态响应问题，其独特之处在于能够通过VA One SEA Module建立SEA 模型，并得到系统的频响函数，然后通过虚拟模态综合法求解器Powersurge 估计出系统的瞬态冲击响应及冲击响应谱。

SEA Shock特别适合于高频成分较多的短时脉冲激励，也就是说冲击脉冲应该具有适合SEA 方法应用的频率成分。

SEA Shock典型的应用包括：

u 火箭和导弹的级间爆破分离问题

u 导弹弹道冲击问题

u 跌落冲击问题（硬盘驱动器跌落，军需物资投放落地等）

u 其它瞬态冲击载荷（如设备开启关闭导致的载荷突然变化）

SEA Shock的目标是预测冲击载荷能量沿着结构的传播，显示主要的冲击传播路径。同时预测冲击载荷对精密敏感仪器装备处或者工作人员所在地造成的冲击响应历程和冲击响应谱（SRS ），关键部位的冲击环境。利用SEA Shock还可以检查更新材料、构造、连接性质和冲击阻隔器后的冲击响应的衰减程度，作出设计评定。

声学材料解决方案FOAM-X/NOVA

如何设计合理的噪声控制处理方案是减振降噪的关键，ESI 集团的声学材料解决方案不仅提供了多种吸声材料库和阻尼材料库，包含纤维状吸声材料和多孔吸声材料声学性能求解器。提供了多层材料设计软件NOV A ，对用户提供辅助设计帮助。

定义基本声学材料属性是噪声控制处理方案设计流程中的关键环节，FOAM-X 利用标准阻抗管试验数据，采用逆运算得到V A One和NOV A 所需要的多孔声学材料属性。

ESI 材料解决方案

多孔材料属性预测软件FOAM-X

FOAM-X 是一款用于辨识多孔材料声学属性的高级软件，数据以ASTM E1050或者ISO 10534-2阻抗管试验为准。FOAM-X 辨识出的声学材料参数与V A One、NOV A 相关的多孔材料模块兼容，也与其它一些商业软件的多孔材料模块兼容，如Comet 。所有这些模块都是基于Biot 理论来精确描述多孔材料的属性。

多孔材料 标准阻抗管

FOAM-X 适合如下应用：

R&D应用

多孔材料的常规工程应用

FOAM-X 的模块

泡沫材料（比如金属、聚合物等）

其它隔音材料

通过对这些材料进行数值建模，可以对设计提供帮助，在需要的应用领域内改善声学性能。

飞机：内饰，阻尼，座椅，地板等

材料：对材料声学性能进行比较和优化

软件功能及特点

提供最精确的多孔材料模型（刚性材料，毡制品，弹性材料以及穿孔板等）

考虑各向异性材料，夹层板和复合材料板

包括自动检测功能和不同物理场之间的耦合（弹性体和流体）

在高频模块中考虑有限尺寸的影响