王麗麗，李舜酩，于國強，王 前

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京 210016)

民機艙室結構建模及基于FEM－BEM的輻射噪聲仿真分析

王麗麗，李舜酩，于國強，王 前

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京 210016)

針對ANSYS不能直接得到民機艙室聲場響應特性的問題，結合ANSYS和SYSNOISE，提出了民機艙室振動聲學數(shù)值仿真計算方法。以某型客機機艙為原型，基于HYPERMESH建立了有座椅機艙網格模型。利用ANSYS進行機艙結構動力學分析，得到了結構振動頻響特性。將結構振動位移結果作為邊界激勵條件導入SYSNOISE中，采用直接邊界元法最終得到了艙內聲壓頻響特性。給出了ANSYS與SYSNOISE的軟件接口方法，解決了兩者間的數(shù)據(jù)兼容問題，為進一步的聲場優(yōu)化分析提供了參考。

民機艙室;振動聲輻射;有限元;邊界元

目前，國內民航事業(yè)正處在高速發(fā)展時期，在飛機的安全性、飛行性等均得到顯著提升的背景下，飛機的強噪聲環(huán)境對其結構的影響日趨嚴重。飛機強噪聲不僅對機組人員和乘客的舒適度有影響，還會對飛機結構造成疲勞損傷，降低飛機內部儀器設備的使用精度，縮短飛機使用壽命，影響飛行安全。因此，對飛機噪聲控制技術與方法的研究具有非常迫切和重要的意義。

民機艙室的輻射噪聲主要是動力裝置產生的結構振動噪聲［1］。艙內噪聲通過固體結構部件傳播振動至艙體，引起艙體振動，再由艙壁板振動，形成聲輻射。針對結構振動與聲輻射問題的分析方法主要有解析法和數(shù)值算法兩類［2］。前者一般適用于結構、幾何形狀規(guī)則且邊界條件簡單的振動聲輻射問題，對于復雜結構的聲輻射問題一般采用數(shù)值算法［3－5］。

ANSYS軟件是一款集結構、熱、流體、聲學于一體的通用有限元分析軟件。它能夠解決多場耦合問題，如流體－結構耦合等，也可用于計算復雜結構的振動與聲學問題。但是計算量較大，對計算機硬件和內存要求較高，而且聲場的后處理功能很弱，不能給出人們非常關心的聲學量，如結構的輻射聲功率等。SYSNOISE軟件作為專業(yè)的聲學和振動分析軟件，易于得到結構的輻射聲功率、聲場速度分布和聲壓分布等聲學量，目前主要應用在船舶、汽車領域［6－7］。因此，在進行復雜結構噪聲數(shù)值分析時，采用ANSYS和SYSNOISE進行仿真，既能便于對結構進行振動分析，又能很好地處理復雜結構的振動聲學問題。

本文主要是針對A320型號的民航機艙，采用有限元與邊界元相結合的方法，并結合ANSYS和SYSNOISE，從有限元網格模型的建立、諧響應分析、邊界條件的加載這幾方面，對機艙結構的輻射聲場進行仿真分析。

1 機艙模型的建立

HYPERMESH作為具有強大有限元網格劃分前處理功能的應用軟件，支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型，同時本身具有較強的幾何建模功能。本文使用該軟件，以某型客機機艙為原型建立簡化艙室模型。

機艙幾何模型軸向長度為2.4m，蒙皮殼體直徑為2m。內部結構包括窗戶、內艙、地板、加強框、天花板以及支板等?？紤]到座椅對艙內聲場的影響，在客艙內前、中、后3處各放置一排座椅。隔墻位于機艙兩端，將圓柱殼封堵，從而可以近似成真實的艙室結構。

在劃分網格之前需要確定網格單元的尺寸。對于線性有限元模型和邊界元模型來說，一般假設在最小波長內要有6個單元，即最大單元的邊長需要小于計算頻率(或者最高計算頻率點處)最短波長的1/6。綜合考慮計算可以達到的精確度、建模的復雜程度以及求解成功的可能性，本文在兼顧計算精確性和計算速度的基礎上，取模型網格的單元長度為50mm，該有限元模型共15 811個單元。機艙結構的網格模型如圖1所示。

圖1 機艙結構的網格模型

綜合考慮計算效率和分析結果的合理性，在進行有限元分析時，將座椅簡化成一系列集中質量單元，放置于相應區(qū)域。在聲場分析時，將座椅網格模型作為剛性壁面導入SYSNOISE中，從而得到機艙結構座椅處的聲壓分布曲線。座椅網格模型如圖2所示。

圖2 座椅網格模型

2 機艙輻射聲場分析方法

采用ANSYS和SYSNOISE進行聲學計算分析的流程如圖3所示。具體步驟如下:

a．采用 HYPERMESH軟件建立機艙幾何模型，使用殼單元(shell63)和梁單元(beam188)，對機艙模型進行網格劃分，得到結構有限元模型。

b．將上述有限元網格模型導入ANSYS中，對機艙結構有限元模型進行諧響應分析，并將艙室結構的振動位移數(shù)據(jù)保存為*.fre格式的文件。

c．將*.cdb格式的網格模型和*.fre格式的結構振動位移結果導入SYSNOISE中，設置流體屬性、求解頻率范圍及步長。

d．進行聲輻射響應分析。

圖3 有限元與邊界元仿真分析流程

3 數(shù)據(jù)接口流程

在對機艙進行聲學特性分析時，需要將在ANSYS得到的諧響應分析結果和聲學網格模型作為邊界條件輸入。但ANSYS計算結果的數(shù)據(jù)格式與SYSNOISE能夠識別的有一定的差別，因此需編寫格式轉換程序，將諧響應計算結果轉換為SYSNOISE能夠識別的數(shù)據(jù)文件，同時將網格模型以*.cdb格式導入SYSNOISE中作為聲學模型。接口流程如圖4所示。

圖4 ANSYS與SYSNOISE間的接口流程圖

4 仿真計算與結果分析

4.1 簡諧激勵下的位移響應

在諧響應分析時，由于A320客機的發(fā)動機懸掛在機翼兩側，會在機翼處產生結構的振動，再通過機翼與客機座艙連接處傳遞到飛機客艙，進而引起座艙內的結構振動，產生結構輻射噪聲。為了盡量模擬真實情況，進行諧響應分析時，在機翼與客艙連接區(qū)域，施加x方向、大小為10N的簡諧激振力載荷;對客機座艙結構單元施加約束，使得機艙結構的平動和轉動位移為零，去除結構自身的剛體自由模態(tài)。

由于該方法主要適用于低頻分析，因此本文選取的諧響應分析頻率為20～200Hz，觀察機艙結構表面各點的位移響應情況，其坐標為A(－0.94，0.35，0.4)、B( －0.96，－0.26，1.7)、C( －1，0，1.75)。位移響應曲線如圖5所示。

圖5 機艙結構表面各點位移響應曲線

由圖5可知，機艙結構的振動主要在頻率為64Hz處，該頻率下的結構共振最為密集，使得結構表面的振動位移達到最大;在頻率為100Hz和170Hz附近處，機艙結構也有較密集的共振，但相比64Hz處的結構振動位移要小一些。

4.2 機身結構的輻射聲功率

將機艙聲學模型導入SYSNOISE中，并將諧響應位移數(shù)據(jù)結果導入SYSNOISE作為邊界條件，計算得到機艙結構聲輻射功率曲線，如圖6所示。圖6與圖5對比可知，兩者具有較好的對應性，在結構位移響應較高的頻率段內，結構聲輻射功率也相應增大。

圖6 機艙結構輻射聲功率曲線

4.3 機艙座椅處聲壓分布

基于上述分析結果，可以得到客艙內任一點處的聲壓值。我們通常比較關心乘客耳旁的聲壓值大小，因此在乘客艙室座椅處選取測點。在前、中、后3排座椅處分別選取1個測點:前排座椅處(0.45，0.1，0.36);中間座椅處(0.45，0.1，1.26);后排座椅處(0.45，0.1，2.16)。對這3個測點進行觀察，測得這3處的聲壓值，聲壓分布曲線如圖7所示。

圖7 機艙座椅處聲壓分布曲線

由圖7可知，前排座椅測點處的聲壓值較其他兩排座椅的要高一些，這主要是由于前排座椅位于民機機艙和機翼連接區(qū)域附近，受到發(fā)動機振動的影響較大，產生的結構振動較其他兩處的要大，因此聲壓值相對高一些。在30Hz處，觀測點的聲壓值到達一個峰值，然后開始下降。在60～80Hz頻率段內，觀測點處的聲壓值較其他頻率段高一些，大約在85dB以上。在110Hz處聲壓值存在一個峰值，140Hz頻率后，測點處聲壓值隨著頻率的增加，變化幅度不大。

5 結論

采用ANSYS與SYSNOISE結合的仿真數(shù)值方法對民機艙室模型進行數(shù)值分析，可以得出以下幾點結論:

a．機艙結構的振動響應越高，結構的聲輻射功率越大，且結構中振動較大位置處的聲壓值也相對較高。

b．給出了將ANSYS中的結構動力響應計算結果轉換為SYSNOISE可識別數(shù)據(jù)文件的轉換方法，通過仿真分析，驗證了該方法的可行性。

c．得出了機艙結構振動與聲場分布之間的關系，為進一步的聲場優(yōu)化分析提供了參考依據(jù)。

［1］扈西枝.民機艙室噪聲源及其特性分析［J］.民用飛機設計與研究，2010(2):10－12.

［2］張俊杰，原春暉，劉彥，等.基于解析解和邊界元解的圓柱殼聲輻射對比研究［J］.振動與沖擊，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，F(xiàn)ederico 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，梁亞坤，占敏，等.基于SYSNOISE的軸流式風機管道噪聲輻射仿真分析［J］.機械與電子，2009(9):32－35.

［6］賀晨，盛美萍，石煥文，等.圓柱殼體振動聲輻射效率數(shù)值計算分析［J］.噪聲與振動控制，2006，26(4):51－54.

［7］鄧兆祥，李昌敏，胡玉梅，等.轎車車內低頻噪聲預測與控制［J］.重慶大學學報:自然科學版，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

航空基金資助項目(2012ZD52054)

王麗麗(1991—)，女，安徽淮北人，南京航空航天大學本碩連讀生，專業(yè)為推進系統(tǒng)結構動態(tài)特性。