CN109977533A - 牵引电机风扇噪声的仿真预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机噪声仿真预测方法，具体为牵引电机风扇噪声的仿真预测方法。解决现有的气动噪声仿真计算方法无法适用于牵引电机风扇噪声仿真计算的问题。牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，包括如下步骤：1）牵引电机流场计算模型建立，并进行流场计算模型网格划分；2）牵引电机定常流场仿真计算，定常流场计算收敛后得到计算结果；3）根据步骤2）的定常流场计算结果，进行牵引电机非定常流场仿真计算，同时输出非定常流场中与噪声激励相关的物理量；4）牵引电机噪声计算模型建立；5）将步骤3）的非定常流场中输出的物理量加载到噪声计算模型上，得到噪声分析结果。本发明特别适用于牵引电机风扇噪声的仿真预测，也适用于其它电机。
Description
技术领域
本发明涉及电机噪声仿真预测方法，具体为牵引电机风扇噪声的仿真预测方法。
背景技术
牵引电机冷却风扇的气动噪声是组成电机噪声的重要部分。现有的牵引电机降噪措施，主要通过试验测试并结合技术人员的经验来判断主要噪声源，然后提出相应的整改方法。然而这种方法对于噪声源特性和噪声场分布缺乏具体的分析和研究，进而导致许多改进方法需在测试基础上完成，即电机样机完成制造后试验各种降噪方案达到降噪目的。这种方式导致设计和测试噪声周期很长，不能从设计阶段就考虑到降噪优化方案。为了更好的解决牵引电机降噪优化问题，需提出分析电机噪声源和预测电机噪声性能的方法，其中电机气动噪声源包括体声源（电机流道噪声）和面声源（电机风扇噪声）；电机噪声性能评判主要参数为声功率级大小，此外声传播云图和声学指向性有助于理解电机噪声分布特性。
电机风扇噪声本质上是旋转风扇带动气流流动产生的气动噪声，目前现有的气动噪声仿真计算方法都会对计算模型尽量简化，无法适应类似牵引电机这样的复杂工程模型；同时，在考虑电机内部固体壁面对噪声传播的影响和将电机内部非定常流场中的物理量转化为频域上的噪声激励信息上都存在一定困难。
发明内容
本发明针对现有的气动噪声仿真计算方法存在的上述问题，提供一种牵引电机风扇噪声的仿真预测方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，包括如下步骤：
1）牵引电机流场计算模型建立，并进行流场计算模型网格划分；
2）牵引电机定常流场仿真计算，定常流场计算收敛后得到计算结果（流量或压力）；
3）根据步骤2）的定常流场计算结果，进行牵引电机非定常流场仿真计算，同时输出非定常流场中与噪声激励相关的物理量（速度和密度等）；
4）牵引电机噪声计算模型建立；
5）将步骤3）的非定常流场中输出的物理量加载到噪声计算模型上，得到噪声分析结果（噪声源、频谱曲线、声传播云图及声学指向性等）。
本发明不仅考虑电机内部固体壁面对噪声传播的影响，而且成功将电机内部非定常流场中的物理量转化为频域上的噪声激励信息，实现噪声准确计算；基于仿真计算牵引电机风扇噪声辐射和分布，相比于试验测试噪声数据的方法，本发明能够降低噪声测试成本；对于噪声分析结果的声源定位和声学指向性等特征结果，可快捷实现声源寻找并进行降噪方案设计评估，缩短产品周期，降低产品成本。
附图说明
图1为本发明所述方法的原理流程图。
具体实施方式
牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，包括如下步骤：
1）牵引电机流场计算模型建立，并进行流场计算模型网格划分；
依据牵引电机原始装配体模型建立满足流场计算需求的电机模型，具体是在牵引电机原始装配体模型的CAD软件中完成牵引电机流场计算模型的建立；然后提取计算流体域CAD模型，同时将旋转部件（风扇和转子）和静止部件分离；然后将流体域CAD模型导入前处理软件（ANSYS MESHING、ICEM等）中进行网格划分。由于电机风扇噪声计算中核心部件是风扇，对于流体域中的风扇区域需划分边界层网格并进行网格加密。
2）牵引电机定常流场仿真计算，定常流场计算收敛后得到计算结果（流量或压力）；
3）根据步骤2）的定常流场计算结果，进行牵引电机非定常流场仿真计算，同时输出非定常流场中与噪声激励相关的物理量（速度和密度等）；
步骤2）和步骤3）中，将步骤1）中的网格导入CFD计算软件中进行定常流场、非定常流场仿真计算；具体是依据电机实际运行转速，首先执行定常流场仿真计算；然后根据定常流场计算结果执行非定常流场仿真计算，同时输出非定常流场中与噪声激励相关的物理量（速度和密度等）。
4）牵引电机噪声计算模型建立；
根据牵引电机的结构形式建立牵引电机的噪声有限元或边界元模型；这里，可通过包络牵引电机的内部空腔形成实体，来建立牵引电机内噪声有限元或边界元模型；具体是在步骤1）流场计算模型的基础上，建立电机外部空气域传播模型，其中空气域模型厚度依据需要求解的最高频率来确定。
5）将步骤3）的非定常流场中输出的物理量加载到步骤4）的噪声计算模型上，得到噪声分析结果（噪声源、频谱曲线、声传播云图及声学指向性等）。
将步骤3）的非定常流场输出的物理量加载到步骤4）的噪声有限元或边界元模型，然后依据声类比理论将非定常流场输出的物理量转化为噪声激励；再利用噪声边界元或有限元模型的声辐射理论仿真计算，得到噪声分析结果。具体是利用声学软件ACTRAN中的声学转换模块ICFD，该模块基于Lighthill声类比理论将非定常流场输出的物理量转化为噪声激励。由于流场计算模型网格和噪声计算模型网格尺寸不匹配，需要将非定常流场中输出的物理量通过积分映射方法插值到噪声计算模型上；同时非定常流场中输出的物理量为时域数据，而噪声计算在频域上进行，因此需利用时域-频域转换方法（如快速傅里叶变换），将时域上的非定常流场中输出的物理量转化到频域上，最终完成牵引电机风扇噪声的仿真计算。
进一步，根据步骤5）获取的噪声分析结果，预估电机噪声大小，优化牵引电机风扇的结构形式或设计降噪结构，从而达到降低牵引电机噪声水平的目的。
Claims (10)
1.一种牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）牵引电机流场计算模型建立，并进行流场计算模型网格划分；
2）牵引电机定常流场仿真计算，定常流场计算收敛后得到计算结果；
3）根据步骤2）的定常流场计算结果，进行牵引电机非定常流场仿真计算，同时输出非定常流场中与噪声激励相关的物理量；
4）牵引电机噪声计算模型建立；
5）将步骤3）的非定常流场中输出的物理量加载到噪声计算模型上，得到噪声分析结果。
2.根据权利要求1所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，
步骤1）中，依据牵引电机原始装配体模型建立满足流场计算需求的电机模型，具体是在牵引电机原始装配体模型的CAD软件中完成牵引电机流场计算模型的建立；然后提取计算流体域CAD模型，同时将旋转部件和静止部件分离；然后将流体域CAD模型导入前处理软件中进行网格划分；
步骤2）中和步骤3）中，将步骤1）中的网格导入CFD计算软件中进行定常流场、非定常流场仿真计算；
步骤4）中，根据牵引电机的结构形式建立牵引电机的噪声有限元或边界元模型；
步骤5）中，将步骤3）的非定常流场输出的物理量加载到步骤4）的噪声有限元或边界元模型，然后依据声类比理论将非定常流场输出的物理量转化为噪声激励；再利用噪声边界元或有限元模型的声辐射理论仿真计算，而得到噪声分析结果。
3.根据权利要求2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，步骤1）中，流体域中的风扇区域需划分边界层网格并进行网格加密。
4.根据权利要求3所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，前处理软件为ANSYS MESHING或ICEM。
5.根据权利要求2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，
步骤2）中和步骤3）中，依据电机实际运行转速，执行定常流场仿真计算。
6.根据权利要求2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，
步骤4）中，通过包络牵引电机的内部空腔形成实体，来建立牵引电机内噪声有限元或边界元模型。
7.根据权利要求6所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，在步骤1）流场计算模型的基础上，建立电机外部空气域传播模型，其中空气域模型厚度依据需要求解的最高频率来确定。
8.根据权利要求2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，
步骤5）中，利用声学软件ACTRAN中的声学转换模块ICFD，该模块基于Lighthill声类比理论将非定常流场输出的物理量转化为噪声激励。
9.根据权利要求2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，步骤5）中，将非定常流场中输出的物理量通过积分映射方法插值到噪声计算模型上；同时非定常流场中输出的物理量为时域数据，而噪声计算在频域上进行，利用时域-频域转换方法，将时域上的非定常流场中输出的物理量转化到频域上。
10.根据权利要求1或2所述的牵引电机风扇噪声的仿真预测方法，其特征在于，根据步骤5）获取的噪声分析结果，预估电机噪声大小，优化牵引电机风扇的结构形式或设计降噪结构。
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