Actran

Actran – программный комплекс для моделирования возникновения, распространения и поглощения звука в акустических средах (воздух, вода, и др.). Моделирование может осуществляться совместно с конструкциями, представленными в упругой или жёсткой постановке.

В основе Actran лежат методы конечных и бесконечных элементов, позволяющие моделировать акустические эффекты как в замкнутых объёмах (полостях), так и в открытом пространстве с учётом условий не отражения звука на границах расчётной 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 элементы идеально-согласованного слоя PML, и др. Представленные в Actran материалы позволяют моделировать акустические среды (газы, жидкости), с учетом вязкотермических потерь в тонких слоях; упругие конструкционные материалы с учетом демпфирования; гиперупругие материалы, в т.ч. несжимаемые; слоистые композиционные материалы; звукопоглощающие материалы в постановках с абсолютно жестким «скелетом», с абсолютно податливым «скелетом» и в общей постановке по теории Biot.

 

Шум выходного устройства газотурбинного двигателя. Источник: Airbus

 

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, объёмные и поверхностные источники на основе акустических аналогий Лайтхилла и Меринга, и др.

Анализ акустики производится, чаще всего в детерминированной постановке в частотной области методом прямого интегрирования. Вместе с этим, поддерживается расчет на случайное воздействие, расчёт собственных частот и форм, расчёт частотного отклика модальным методом или комбинация модального и прямого методов для акустической среды и конструкции.

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 газа (воздуха). Общеизвестными примерами являются шум газотурбинных и ракетных двигателей, шум от движения транспортных средств, шум в системах вентиляции и кондиционирования, и т.д. Анализ подобных явлений предполагает наличие информации о характеристиках потока газа: скоростях, давлениях, плотностях, температурах и их изменении во времени. Базируясь на этой информации, Actran позволяет рассчитать источники шума в потоке, перенести их на акустическую расчетную модель и провести расчёт распространения шума 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. Используемые аналогии Лайтхилла и Меринга позволяют применять данные о турбулентности потока среды, полученные с бόльшим шагом по времени и менее подробной пространственной дискретизацией по сравнению с другими распространенными методами прямого расчета акустики в газовой среде.

 

Испытательная установка в полу-безэховой камере

На установке закреплен боковой воздуховод автомобиля Citroen C4. Справа показано распределение источников шума в потоке воздуха, полученное с помощью расчета в Actran. Источник: Visteon.

 

Анализ аэроакустики 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 разрывного конечно-элементного метода Галеркина с использованием неструктурной p-адаптивной конечно-элементной сетки (Actran DGM).

В связи с большой ресурсоемкостью расчетов аэроакустики, а также общей тенденцией проводить расчеты на ранних этапах разработки изделий при отсутствии точной геометрической модели, может возникнуть потребность в приближенном, но быстром методе оценки шума турбулентного течения. «Генерация и распространение случайного шума» (SNGR) – новый метод в Actran, основанный на результатах расчета установившегося течения газа (RANS) и предположении о распределении энергии турбулентного течения между вихрями различных пространственных масштабов. Пространственная ориентация и фазы колебаний акустической среды считаются случайными. Решатель Actran производит генерацию случайного шума, после чего рассчитывает распространение шума в акустической среде. По умолчанию используется полуэмпирический спектр Кармана-Пао, однако пользователь может применить и другие спектры. Метод SNGR активно используется в автомобильной и других отраслях.

Actran предоставляет возможность использования нескольких высокоэффективных алгоритмов решения задач. Эти алгоритмы обеспечивают высокую скорость решения задач акустики, которые в большинстве случаев требуют значительных машинных ресурсов.

Тесная интеграция Actran с MSC Nastran, MSC Nastran SOL 700 и Adams позволяет эффективно использовать “сильные” стороны каждого из продуктов. Например, анализ колебаний конструкции проводить с применением MSC Nastran (точность и скорость выполнения такого расчёта общепризнаны), а моделирование распространения звука в среде – с помощью Actran (продукт оптимизирован для решения именно таких задач).

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.

 

 

Расчетная модель воздухозаборника ВСУ самолета и точки измерения параметров в дальнем поле, конечно-элементная сетка.

Ниже показано акустическое давление в воздуховоде и ближнем поле. Слева – при наличии звукопоглощающих элементов, справа – без них. Источник: FFT