CN107563063B - 声学材料cae仿真参数数据库的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，对目前汽车整车及其零部件声学模型的建立过程中所涉及的数据获取给出了明确的流程及方法，并将这些材料的声学参数及吸隔声特性进行整合，运用声学仿真软件进行调试，得到可靠的材料CAE参数,将这些参数进行整合归类成数据库，保证数据库模块清晰、易读易查阅。CAE仿真参数数据库可以应用于材料级、零件级和整车级的建模过程，较大程度地提高建模效率及精度，从而提高产品提案的效率。

Description

声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法

技术领域

本发明涉及一种声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，尤其应用于汽车整车及其零部件声学模型的建立，属于材料声学性能CAE仿真分析技术领域。

背景技术

汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品的推出速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。在追求降低开发设计的时间和费用的前提下要设计出世界一流的汽车的目标下，CAE是不可缺少的工具。由于不需要额外时间和费用去制作样件，而就能迅速地评估设计方案，所以CAE能加速设计方案的确定。

在工程仿真设计过程中，工程师往往需要精确的材料数据。当前的解决途径是通过分散的资源，比如零散的测试数据、标准、手册、论文或者网上搜索。这样造成的后果是时间浪费在了查找材料数据，而不是工程研究上；材料数据来源往往散乱，信息不完全，可使用度低，在公司内部产生了大量数据孤岛；在提案时往往需要重新进行样件制作和CAE分析等。严重降低了方案提出的效率和准确性，也大大浪费了人力和物力。

CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，对目前汽车整车及其零部件声学模型的建立过程中所涉及的数据获取给出了明确的流程及方法，并将这些材料的声学参数及吸隔声特性进行整合，运用声学仿真软件进行调试，得到可靠的材料CAE参数,将这些参数进行整合归类成数据库，保证数据库模块清晰、易读易查阅；CAE仿真参数数据库可以应用于材料级、零件级和整车级的建模过程，较大程度地提高建模效率及精度，从而提高产品提案的效率。本发明采用的技术方案是：

一种声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，包括以下步骤：

(1)首先对目前汽车整车及其零部件声学模型建立过程中所涉及的材料进行分类，分类依据为在CAE过程中所用的材料属性不同，进而所对应的具体输入参数也不同，具体分为吸声材料、隔声材料、薄膜材料；

将这些材料的声学参数及吸声、隔声特性进行整合，在声学仿真软件中进行调试，得到可靠的材料CAE仿真参数，将这些CAE仿真参数进行整合归类成数据库。

具体地，

(2)吸声材料的CAE仿真参数包括：几何参数-密度ρ、厚度h；声学参数-孔隙率φ、流阻率σ、几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′，以及结构参数-杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ；

其中，密度ρ、厚度h、杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ、孔隙率φ、流阻率σ通过实验直接测试得到；

对于几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′，需要利用测试的声学数据通过CAE方法进行参数识别，首先需要对研究对象进行取样，通过阻抗管吸声测试得到材料的吸声系数，将材料吸声系数曲线导入材料参数反推软件中反推出几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′这些声学参数的初始参数，这一步得到的结果还需要通过随机入射情况的吸声数据进行验证，利用声学仿真软件对初始参数进行修正，从而得到该材料最终的CAE仿真参数。

(3)隔声材料通常以各项同性固体材料来进行仿真；各项同性固体材料通常考虑的参数包括杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ、剪切模量G；

(4)薄膜材料的CAE仿真参数包括：密度ρ、厚度h、流阻率σ；需要通过对含有薄膜材料的层叠结构进行测试，以测试数据为基准通过CAE仿真的方法对薄膜的参数进行识别；具体如下：

对于中间层包含薄膜的层叠结构；

(a)首先运用吸声材料的CAE仿真参数获取方法对薄膜两侧的材料参数进行确认；

(b)对含有中间层薄膜的层叠结构样件进行吸隔声测试，得到层叠结构的吸隔声测试结果，包括吸声系数曲线和传递损失曲线；

(c)在声学仿真软件中导入(a)中已经确认后的薄膜两侧的材料参数，设定中间层薄膜的初始参数，建立层叠结构的结构模型，调整薄膜的参数，包括：密度ρ、厚度h、流阻率σ，使得层叠结构的仿真吸隔声特性与(b)中测试得到的吸隔声特性相吻合。

本发明的优点在于：

1)整合了多种声学材料的CAE仿真参数，并建立数据库以保存，解决了目前资源分散，查找不便的问题。

2)CAE仿真参数的获取方法科学合理，得到的数据较为准确，可以应用于材料级、零件级和整车级的建模过程，较大程度地提高建模效率及精度。

附图说明

图1为本发明中声学材料CAE仿真参数数据库组成以及应用方向的示意图。

图2为本发明的声学材料仿真参数数据库建立流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

汽车声学包所涉及的零部件主要包括：顶蓬、地毯、前围内外隔声垫、座椅、仪表盘、立柱等，声学方面主要起吸收噪声和阻隔噪声的作用，使得驾驶舱和乘客舱的舒适度得到提升。这些零部件的吸隔声特性与其材料组成密切相关；吸声材料大多具有多孔的特性，当噪声进入这些介质中，引起孔隙中空气的振动，由于空气的粘滞阻力、空气和纤维间的热传导作用，噪声的能量得以损耗，从而达到降噪的目的；隔声材料则相对致密，从而达到阻隔噪声的作用，例如前围隔声垫用来阻隔发动机噪声；

测试中获取材料吸声系数的方法通常有阻抗管吸声测试和混响室法；阻抗管吸声测试得到的是声波垂直入射材料的吸声系数，而混响室法得到的是声波随机入射材料的吸声系数；

为了满足整车声学包建模及提案的要求，声学材料CAE仿真参数可以分为以下若干类：(1)吸声材料(2)隔声材料(3)薄膜材料等，对于不同类型的材料，仿真中所关注的参数是不同的；吸声材料所涉及的参数有：杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ、密度ρ、厚度h、孔隙率φ、流阻率σ、几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′；隔声材料所涉及的参数有：杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ、剪切模量G；薄膜材料所涉及的参数有：密度ρ、厚度T、流阻率σ；除了这些材料的物性参数，材料数据库中还应该包括每一种材料对应平板结构的声学特性，如吸声、隔声特性等。

本发明对目前汽车整车及其零部件声学模型的建立过程中所涉及的数据获取给出了明确的流程及方法，并将这些材料的声学参数及吸隔声特性进行整合，在声学仿真软件Va-one中进行调试，得到可靠的材料CAE仿真参数，将这些CAE仿真参数进行整合归类成数据库，保证数据库模块清晰、易读易查阅；CAE仿真参数数据库可以应用于材料级、零件级和整车级的建模过程，较大程度地提高建模效率及精度，从而提高产品提案的效率。

对于不同的声学材料，其CAE仿真参数数据库的建立方法是不同的，以下根据材料的类型进行详细介绍:

(1)吸声材料

汽车声学包中常用的吸声材料主要包括毛毡、聚氨酯(PU)、吸音棉、地毯毯面等，在对这一类材料进行CAE仿真建模过程中需要几何参数-密度ρ、厚度h，声学参数-孔隙率φ、流阻率σ、几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′，以及结构参数-杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ；这些参数中密度ρ、厚度h、杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ、孔隙率φ、流阻率σ可以通过实验直接测试得到，几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′则需要通过毕奥(Biot)理论进行参数识别；毕奥理论是基于一系列假设通过热力学原理建立了流体饱和多孔介质的线性本构关系，给出了考虑惯性项和粘性项相互耦合的系统动力方程，即用流体参数和结构参数来描述吸声材料特性。

本发明声学材料仿真参数数据库的建立流程中，首先需要对研究对象进行取样，裁切得到阻抗管吸声测试规格的样件，通过阻抗管吸声测试得到材料的吸声系数，将测试得到的材料吸声系数曲线导入材料参数反推软件Foam-X中，运用Foam-X软件推导出几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′等声学参数。参数反推的原理为：

一个厚度为h的多孔材料的阻抗Z可以表示为：

其中，

上述表达式中，ρ₀是空气的密度，μ是空气的动态黏度，γ是比热，P₀是大气压，Z₀是空气特性阻抗；对于刚性材料，系数B取0，对于柔性材料，系数B取1；Pr为空气的普朗特数；

上一步得到的结果还需要通过验证；具体的验证方法是，对样件进行混响室法吸声测试，得到随机入射情况的吸声数据，这组吸声数据作为后续调试的基准数据，利用声学仿真软件Va-one对几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′的初始参数进行修正，使得声学仿真中得到的吸声数据接近基准数据或与基准数据一致，从而得到该材料最终的CAE仿真参数。

(2)隔声材料

隔声材料在汽车声学包以及整车建模过程中也是必不可少的，主要包括三元乙丙橡胶(EPDM)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、中密度纤维板(MDF)、塑料、玻璃、金属材料等。在CAE计算过程中，隔声材料通常以各项同性固体材料来进行仿真，各项同性固体材料通常考虑的参数有杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ、剪切模量G；这其中，杨氏模量E、泊松比υ、剪切模量G存在关系G＝E/2(1+υ)，故只需知道两个参数即可；对于常用的金属材料，如钢、铝、铜等，杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ为一定的值，可以通过查阅相关资料获取参数；然而对于其余隔声材料，其参数则需通过实验获取；获取材料杨氏模量和泊松比的测试方法分为静态法和动态法；静态法适用于金属样件在大变形常温下测定，对于脆性材料，如玻璃、陶瓷、石墨等则不适用；动态法，包括弯曲共振、纵向共振和扭转共振法，其中最为常用的是弯曲共振，它适用于各种金属及非金属材料杨氏模量及泊松比的测定。

(3)薄膜材料

运用隔声垫来阻隔车内噪声的传播途径是行之有效的降噪方法，考虑到成本和轻量化的影响，越来越多的车型采用硬质毛毡加软质毛毡的结构来替代EVA加发泡结构，两层毛毡之间可以通过薄膜材料高温下融化从而进行粘连。常用的薄膜材料为聚乙烯(PE)。薄膜材料涉及的CAE仿真参数有密度ρ、厚度h、流阻率σ，薄膜的流阻率很难通过实验测得，可以用CAE仿真的方法进行参数识别。具体如下：

对于中间层包含薄膜的层叠结构；

(a)首先运用吸声材料的CAE仿真参数获取方法对薄膜两侧的两层毛毡参数进行确认；

(b)对含有中间层薄膜的层叠结构样件进行吸隔声测试，得到层叠结构的吸隔声测试结果，包括吸声系数曲线和传递损失曲线；

(c)在声学仿真软件中导入(a)中已经确认后的薄膜两侧的两层毛毡参数，设定中间层薄膜的初始参数，建立层叠结构的结构模型，调整薄膜的参数，包括：密度ρ、厚度h、流阻率σ，使得层叠结构的仿真吸隔声特性与(b)中测试得到的吸隔声特性相吻合。

Claims (4)

1.一种声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

对目前汽车整车及其零部件声学模型建立过程中所涉及的材料进行分类，分类依据为在CAE过程中所用的材料属性不同，进而所对应的具体输入参数也不同，具体分为吸声材料、隔声材料、薄膜材料；

将这些材料的声学参数及吸声、隔声特性进行整合，在声学仿真软件中进行调试，得到可靠的材料CAE仿真参数，将这些CAE仿真参数进行整合归类成数据库；

吸声材料的CAE仿真参数包括：几何参数-密度ρ、厚度h；声学参数-孔隙率φ、流阻率σ、几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′，以及结构参数-杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ；

其中，密度ρ、厚度h、杨氏模量E、结构阻尼损耗因子η、泊松比υ、孔隙率φ、流阻率σ通过实验直接测试得到；

对于几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′，需要利用测试的声学数据通过CAE方法进行参数识别，首先需要对研究对象进行取样，通过阻抗管吸声测试得到材料的吸声系数，将材料吸声系数曲线导入材料参数反推软件中反推出几何弯折系数α_∞、粘性特征长度Λ、热特征长度Λ′这些声学参数的初始参数，这一步得到的结果还需要通过随机入射情况的吸声数据进行验证，利用声学仿真软件对初始参数进行修正，从而得到该材料最终的CAE仿真参数；

参数反推的原理为：

一个厚度为h的多孔材料的阻抗Z表示为：

其中，

上述表达式中，ρ₀是空气的密度，μ是空气的动态黏度，γ是比热，P₀是大气压，Z₀是空气特性阻抗；对于刚性材料，系数B取0，对于柔性材料，系数B取1；Pr为空气的普朗特数。

2.如权利要求1所述的声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，其特征在于，

隔声材料以各项同性固体材料来进行仿真；各项同性固体材料考虑的参数包括杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ、剪切模量G；

对于金属材料，通过查阅资料获取杨氏模量E、泊松比υ、密度ρ，然后通过公式G＝E/2(1+υ)，计算剪切模量G；

对于其余隔声材料，通过实验获取参数。

3.如权利要求2所述的声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，其特征在于，

通过弯曲共振法测定杨氏模量E、泊松比υ，然后通过公式G＝E/2(1+υ)，计算剪切模量G。

4.如权利要求1所述的声学材料CAE仿真参数数据库的建立方法，其特征在于，

薄膜材料的CAE仿真参数包括：密度ρ、厚度h、流阻率σ；需要通过对含有薄膜材料的层叠结构进行测试，以测试数据为基准通过CAE仿真的方法对薄膜的参数进行识别；具体如下：

对于中间层包含薄膜的层叠结构；

(a)首先运用吸声材料的CAE仿真参数获取方法对薄膜两侧的材料参数进行确认；

(b)对含有中间层薄膜的层叠结构样件进行吸隔声测试，得到层叠结构的吸隔声测试结果，包括吸声系数曲线和传递损失曲线；

(c)在声学仿真软件中导入(a)中已经确认后的薄膜两侧的材料参数，设定中间层薄膜的初始参数，建立层叠结构的结构模型，调整薄膜的参数，包括：密度ρ、厚度h、流阻率σ，使得层叠结构的仿真吸隔声特性与(b)中测试得到的吸隔声特性相吻合。

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