基于LMS Virtual.Lab的汽车排气消声器快速分析关键技术研究

1.引言

在汽车排气消声器设计或改进过程中，迅速的预测目标消声器的传声损失(Sound Transmission Loss)，能够为进一步的分析设计提供可靠的依据、指导，因此对提高消声器设计水平具有重要的意义。目前常用的消声器的声学性能分析手段主要有一维声传递矩阵法[1, 2]、三维有限元法[3, 4]、三维边界元法[5, 6]和一维有限体积法[7, 8]等。由于一维声传递矩阵法由于分析精度不佳，且数学推导较为复杂，目前应用较少。有限元和边界元法与现有一维有限体积法分析软件(例如Gamma Technology GT-Power，Ricardo Wave 等)相比,虽然在分析精度方面有优势，但由于有限元或边界元法需要三维CAD 建模、划分有限元/边界元网格、设置分析边界条件、提取计算结果等繁琐步骤，不但操作不便、而且分析时间过长，因此没有在企业开发消声器过程中得到大量应用。

因此开发一套具有快速参数化建模、自动网格划分、自动设置边界条件、自动提取计算结果等功能的自动化、高效率的基于有限元或边界元的消声器设计分析系统，对于提高企业、研究机构在消声器声学分析上的效率和正确性，具有极大的意义。

本文针对现有分析过程的不足，并结合消声器的特点和企业实际需求，基于LMS Virtual.Lab（版本9a）的有限元分析功能，开发出自动化、高效的消声器设计分析系统，并将该系统应用于消声器开发和改进中，取得了较好的效果。

2. 关键技术研究

2.1 消声器快速参数化建模技术

消声器的内部结构复杂，既有由隔板分割的各个腔体，又有各种穿孔和管道。目前的方法是利用三维CAD 软件（如UG、CATIA 等）进行建模从而建立分析对象，而随着分析的深入，需要经常调整模型的结构和各种参数。这样不但费时费力，且容易出现设计错误甚至干涉。因此需要根据消声器模型的特点，将消声器进行抽象，并利用3D 可视化技术实现消声器的快速建模。

本文将消声器抽象为腔体截面、腔体、隔板、直管、弯管、穿孔（板）、穿孔（管）、吸声材料等部件，进一步定义这些部件的各项属性，便可将消声器抽象为如图 1 所示的抽象模型。

图1 消声器的抽象模型

为了使建模操作者更加直观、方便的建立消声器模型，并结合使用习惯，需要将模型的三向示意图和三维模型实时显示出来。DirectX 是Windows 平台下的标准3D 显示接口，与OpenGL 相比，在Windows平台下DirectX 不但执行效率更高，而且减少了对第三方程序的依赖[9]。本文利用Microsoft DirectX 9.0c图形API 实现了消声器3D 模型的高效显示，并设计了简捷的模型方法，方便用户在最短的时间内完成消声器抽象模型的建立。

当抽象模型建立完成后，我们可以通过逻辑模型中的设计参数，自动建立有限元分析需要的流体模型，即由消声器腔体所包围，隔板、管道所分割的腔体。为保证空气模型能真实反映消声器内部管道结构，合理定义建模顺序是非常有必要的，如果建模顺序不合理，前面建立的结构模型容易被后建的结构替代或影响，从而使实体模型与用户的设计目标不一致。经过总结和验证，如图 2 所示的建模顺序(按箭头所示方向)较为合理，能保证逻辑模型和物理模型的统一。

图 2 消声器流体模型建模顺序

2.3 消声器快速分析技术

OLE Automation（简称Automation）是Windows 应用程序之间相互操纵的一种技术。它使用了Microsoft的COM（Component Object Model）技术，为软件创建一个标准的接口，让其它的应用程序通过Automation的机制，以对象的方式来调用这个软件的功能。

图 3 LMS Virtual.Lab Automation 对象集

LMS Virtual.Lab 是声学分析的常用有限元分析软件，支持利用Automation 进行二次开发。图 3 为LMSVirtual.Lab Automation 对象集。下面简要介绍利用Automation 操作LMS Virtual.Lab 实现消声器传声损失分析的过程。首先启动LMS Virtual.Lab 应用程序；再取得程序的Application 对象并利用该对象Document中的Open 方法打开已定义流体材料、进出口边界、结果提取点、分析实例等的消声器传声损失分析模板文件；然后导入已建好的消声器流体模型(CATIA V5 Geometry)，之后加入将模型利用HMesher 设置网格参数并划分网格，并按图 4 所示组成获取得到分析设置对象AnalysisSet，获取消声器进出口面对象LMSPlaneGroup、结果提取节点对象PIOSingleNode、吸声材料对象、流体材料参数对象、分析实例对象并修改相关参数。

图 4 分析设置对象AnalysisSet 的获取流程之后通过Update 方法分析实例对象实现传声损失的分析计算。计算完毕后通过ExportToFile 方法将传声损失结果导出并图形化显示。全部