民机舱室结构建模及基于FEM－BEM的辐射噪声仿真分析

王丽丽，李舜酩，于国强，王 前

(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京 210016)

民机舱室结构建模及基于FEM－BEM的辐射噪声仿真分析

王丽丽，李舜酩，于国强，王 前

(南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京 210016)

针对ANSYS不能直接得到民机舱室声场响应特性的问题，结合ANSYS和SYSNOISE，提出了民机舱室振动声学数值仿真计算方法。以某型客机机舱为原型，基于HYPERMESH建立了有座椅机舱网格模型。利用ANSYS进行机舱结构动力学分析，得到了结构振动频响特性。将结构振动位移结果作为边界激励条件导入SYSNOISE中，采用直接边界元法最终得到了舱内声压频响特性。给出了ANSYS与SYSNOISE的软件接口方法，解决了两者间的数据兼容问题，为进一步的声场优化分析提供了参考。

民机舱室;振动声辐射;有限元;边界元

目前，国内民航事业正处在高速发展时期，在飞机的安全性、飞行性等均得到显著提升的背景下，飞机的强噪声环境对其结构的影响日趋严重。飞机强噪声不仅对机组人员和乘客的舒适度有影响，还会对飞机结构造成疲劳损伤，降低飞机内部仪器设备的使用精度，缩短飞机使用寿命，影响飞行安全。因此，对飞机噪声控制技术与方法的研究具有非常迫切和重要的意义。

民机舱室的辐射噪声主要是动力装置产生的结构振动噪声［1］。舱内噪声通过固体结构部件传播振动至舱体，引起舱体振动，再由舱壁板振动，形成声辐射。针对结构振动与声辐射问题的分析方法主要有解析法和数值算法两类［2］。前者一般适用于结构、几何形状规则且边界条件简单的振动声辐射问题，对于复杂结构的声辐射问题一般采用数值算法［3－5］。

ANSYS软件是一款集结构、热、流体、声学于一体的通用有限元分析软件。它能够解决多场耦合问题，如流体－结构耦合等，也可用于计算复杂结构的振动与声学问题。但是计算量较大，对计算机硬件和内存要求较高，而且声场的后处理功能很弱，不能给出人们非常关心的声学量，如结构的辐射声功率等。SYSNOISE软件作为专业的声学和振动分析软件，易于得到结构的辐射声功率、声场速度分布和声压分布等声学量，目前主要应用在船舶、汽车领域［6－7］。因此，在进行复杂结构噪声数值分析时，采用ANSYS和SYSNOISE进行仿真，既能便于对结构进行振动分析，又能很好地处理复杂结构的振动声学问题。

本文主要是针对A320型号的民航机舱，采用有限元与边界元相结合的方法，并结合ANSYS和SYSNOISE，从有限元网格模型的建立、谐响应分析、边界条件的加载这几方面，对机舱结构的辐射声场进行仿真分析。

1 机舱模型的建立

HYPERMESH作为具有强大有限元网格划分前处理功能的应用软件，支持直接输入已有的三维CAD几何模型，同时本身具有较强的几何建模功能。本文使用该软件，以某型客机机舱为原型建立简化舱室模型。

机舱几何模型轴向长度为2.4m，蒙皮壳体直径为2m。内部结构包括窗户、内舱、地板、加强框、天花板以及支板等。考虑到座椅对舱内声场的影响，在客舱内前、中、后3处各放置一排座椅。隔墙位于机舱两端，将圆柱壳封堵，从而可以近似成真实的舱室结构。

在划分网格之前需要确定网格单元的尺寸。对于线性有限元模型和边界元模型来说，一般假设在最小波长内要有6个单元，即最大单元的边长需要小于计算频率(或者最高计算频率点处)最短波长的1/6。综合考虑计算可以达到的精确度、建模的复杂程度以及求解成功的可能性，本文在兼顾计算精确性和计算速度的基础上，取模型网格的单元长度为50mm，该有限元模型共15 811个单元。机舱结构的网格模型如图1所示。

图1 机舱结构的网格模型

综合考虑计算效率和分析结果的合理性，在进行有限元分析时，将座椅简化成一系列集中质量单元，放置于相应区域。在声场分析时，将座椅网格模型作为刚性壁面导入SYSNOISE中，从而得到机舱结构座椅处的声压分布曲线。座椅网格模型如图2所示。

图2 座椅网格模型

2 机舱辐射声场分析方法

采用ANSYS和SYSNOISE进行声学计算分析的流程如图3所示。具体步骤如下:

a．采用 HYPERMESH软件建立机舱几何模型，使用壳单元(shell63)和梁单元(beam188)，对机舱模型进行网格划分，得到结构有限元模型。

b．将上述有限元网格模型导入ANSYS中，对机舱结构有限元模型进行谐响应分析，并将舱室结构的振动位移数据保存为*.fre格式的文件。

c．将*.cdb格式的网格模型和*.fre格式的结构振动位移结果导入SYSNOISE中，设置流体属性、求解频率范围及步长。

d．进行声辐射响应分析。

图3 有限元与边界元仿真分析流程

3 数据接口流程

在对机舱进行声学特性分析时，需要将在ANSYS得到的谐响应分析结果和声学网格模型作为边界条件输入。但ANSYS计算结果的数据格式与SYSNOISE能够识别的有一定的差别，因此需编写格式转换程序，将谐响应计算结果转换为SYSNOISE能够识别的数据文件，同时将网格模型以*.cdb格式导入SYSNOISE中作为声学模型。接口流程如图4所示。

图4 ANSYS与SYSNOISE间的接口流程图

4 仿真计算与结果分析

4.1 简谐激励下的位移响应

在谐响应分析时，由于A320客机的发动机悬挂在机翼两侧，会在机翼处产生结构的振动，再通过机翼与客机座舱连接处传递到飞机客舱，进而引起座舱内的结构振动，产生结构辐射噪声。为了尽量模拟真实情况，进行谐响应分析时，在机翼与客舱连接区域，施加x方向、大小为10N的简谐激振力载荷;对客机座舱结构单元施加约束，使得机舱结构的平动和转动位移为零，去除结构自身的刚体自由模态。

由于该方法主要适用于低频分析，因此本文选取的谐响应分析频率为20～200Hz，观察机舱结构表面各点的位移响应情况，其坐标为A(－0.94，0.35，0.4)、B( －0.96，－0.26，1.7)、C( －1，0，1.75)。位移响应曲线如图5所示。

图5 机舱结构表面各点位移响应曲线

由图5可知，机舱结构的振动主要在频率为64Hz处，该频率下的结构共振最为密集，使得结构表面的振动位移达到最大;在频率为100Hz和170Hz附近处，机舱结构也有较密集的共振，但相比64Hz处的结构振动位移要小一些。

4.2 机身结构的辐射声功率

将机舱声学模型导入SYSNOISE中，并将谐响应位移数据结果导入SYSNOISE作为边界条件，计算得到机舱结构声辐射功率曲线，如图6所示。图6与图5对比可知，两者具有较好的对应性，在结构位移响应较高的频率段内，结构声辐射功率也相应增大。

图6 机舱结构辐射声功率曲线

4.3 机舱座椅处声压分布

基于上述分析结果，可以得到客舱内任一点处的声压值。我们通常比较关心乘客耳旁的声压值大小，因此在乘客舱室座椅处选取测点。在前、中、后3排座椅处分别选取1个测点:前排座椅处(0.45，0.1，0.36);中间座椅处(0.45，0.1，1.26);后排座椅处(0.45，0.1，2.16)。对这3个测点进行观察，测得这3处的声压值，声压分布曲线如图7所示。

图7 机舱座椅处声压分布曲线

由图7可知，前排座椅测点处的声压值较其他两排座椅的要高一些，这主要是由于前排座椅位于民机机舱和机翼连接区域附近，受到发动机振动的影响较大，产生的结构振动较其他两处的要大，因此声压值相对高一些。在30Hz处，观测点的声压值到达一个峰值，然后开始下降。在60～80Hz频率段内，观测点处的声压值较其他频率段高一些，大约在85dB以上。在110Hz处声压值存在一个峰值，140Hz频率后，测点处声压值随着频率的增加，变化幅度不大。

5 结论

采用ANSYS与SYSNOISE结合的仿真数值方法对民机舱室模型进行数值分析，可以得出以下几点结论:

a．机舱结构的振动响应越高，结构的声辐射功率越大，且结构中振动较大位置处的声压值也相对较高。

b．给出了将ANSYS中的结构动力响应计算结果转换为SYSNOISE可识别数据文件的转换方法，通过仿真分析，验证了该方法的可行性。

c．得出了机舱结构振动与声场分布之间的关系，为进一步的声场优化分析提供了参考依据。

［1］扈西枝.民机舱室噪声源及其特性分析［J］.民用飞机设计与研究，2010(2):10－12.

［2］张俊杰，原春晖，刘彦，等.基于解析解和边界元解的圆柱壳声辐射对比研究［J］.振动与冲击，2013，32(4):1－5.

［3］Liu Z S，Lu C，Wang Y Y，et al.Prediction of noise inside tracked vehicles［J］.Applied Acoustics，2006，67(1):74 －91.

［4］Citarella R，Federico L，Cicatiello A.Modal acoustic transfer vector approach in a FEM － BEM vibro－ acoustic analysis［J］.Engineering Analysis with Boundary Elements，2007，31(3):248－258.

［5］潘立志，梁亚坤，占敏，等.基于SYSNOISE的轴流式风机管道噪声辐射仿真分析［J］.机械与电子，2009(9):32－35.

［6］贺晨，盛美萍，石焕文，等.圆柱壳体振动声辐射效率数值计算分析［J］.噪声与振动控制，2006，26(4):51－54.

［7］邓兆祥，李昌敏，胡玉梅，等.轿车车内低频噪声预测与控制［J］.重庆大学学报:自然科学版，2007，30(12):7－11.

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

航空基金资助项目(2012ZD52054)

王丽丽(1991—)，女，安徽淮北人，南京航空航天大学本硕连读生，专业为推进系统结构动态特性。