【技术应用】Donaldson利用Simcenter解决方案使滤清器系统供应商进行高效地声学研究

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Donaldson利用Simcenter解决方案使过滤系统供应商进行高效地声学研究
业务挑战
开发完整的进气系统最小化驾驶室内部噪声
克服由于欧6标准而带来的复杂的包装限制
成功的关键
在公司内部引入声学仿真
使用西门子数字工业软件产品和服务
结果
在短短几个小时内完成声学研究节省大量的时间和金钱
利用声学技术获取全球研发合同
声学测试验证模型和微调整体方法
利用新机会
Donaldson的业务正在发生变化，该公司是世界上最大的卡车、公共汽车、建筑设备和工业机械的滤清器制造商之一。除了标准和定制的空气滤清器的订单，越来越多的要求是为长途卡车设计和建设完整的进气系统。这绝对是一种紧迫感，因为卡车发动机正在重新设计，以满足迫在眉睫的严格的欧6排放标准。
这种研发从原始设备制造商（OEMs）到零部件供应商转变遵循了系统开发责任越来越多地委托给分包商的细分趋势。结果是一个双赢的局面，OEMs能够更好地专注于整车的整体设计，而有能力的供应商由于他们的系统级知识而获得新的业务。

克服约束
正如Donaldson的工程师可以证明的那样，获取这些重大合同绝非易事。虽然过滤器的订单主要基于特定的尺寸和材料，但是进气系统必须围绕广泛的系统要求开发，如过滤后的空气质量和温度，空气处理容积以及驾驶室噪声。各个团队必须设计和组装完整的部件，包括进气管口、空气处理管道、支撑支架、过滤器外壳和橡胶波纹管。
这里有许多包装限制，使任务复杂化。因为管道必须按照类似“蛇形”的方式安装到零部件的周围，并且要满足欧6的规定，包括选择性催化还原转换器(SCR)和废气再循环系统(EGR)，这些都会占用可用的空间。团队必须确定进气管口的最佳位置-在驾驶室的顶部或后部，或靠近卡车的前端-这是影响空气质量和温度的关键因素，因此，也会影响发动机效率。
优先考虑降噪
最具挑战性的问题之一是防止进气系统对驾驶室噪声或汽车通过噪声有过多的贡献。在实践中，这意味要保证进气系统的贡献要比车辆目标声压级低10dB。例如，如果车辆在巡航速度(100公里/小时)时驾驶室总声压级的目标为70 dB，则进气系统的目标贡献声压级应低于60 dB。
位于比利时鲁汶的Donaldson欧洲发展中心负责道路车辆滤清器系统的工程经理Gert Proost说:“驾驶室的声学特性会影响驾驶员的疲劳、安全性和生产力-尤其是在长达一周或更长时间的长途旅行中-所以卡车制造商把降低噪声放在了设计要求的前列。使用物理模型和试错测试来满足驾驶室内部噪声和通过噪声目标太昂贵、耗时和不确定，因为有大量的相互作用的变量。”


获得声学仿真专业知识
根据Proost的说法，答案是利用声学仿真的方法。利用计算机模型能够使工程师能够快速和容易地评估声压级和可能的降噪措施。Leuven团队没有将这种仿真工作外包给其他机构，避免忍受项目来回迭代的漫长等待，而是决定将声学仿真引入公司内部。
“我们自己做声学仿真是非常高效的，”普罗斯特说。“我们可以看到声学特性是如何随着组件、材料和几何形状的微小变化而变化的。”这让我们的工程师对整个系统的声学特性有了深入的了解。”
Donaldson选择了来自西门子数字化工业软件Simcenter工具组合中的声学仿真工具Simcenter3D作为其声学仿真工具。选择西门子数字工业软件技术的决定是基于该公司的声誉；该软件在汽车行业有广泛的应用；PLM供应商提供的技术支持的质量，以及软件在处理空气和结构产生的振动噪声问题的建模能力。

Donaldson目前正在使用仿真软件为一家欧洲卡车制造商开发一个进气系统，目的是打造一款市场上最安静的远程卡车驾驶室。Donaldson也在与其他车辆制造商接洽，要求提供系统级设计的报价。Proost说:“很明显，最初的卡车项目中正在进行的工作将使我们能够在未来的合同中采用同样的方法来开发完整的进气系统，能够最小化驾驶室内部噪声。”
“Simcenter工程服务一直与我们在一起，通过技术援助来验证我们的模型和调整我们的整体方法。”

优化驾驶室噪音水平
作为仿真的第一步，Donaldson工程师用边界元(BEM)模型来表示进气系统，这种技术特别适合研究空气声，因为它不需要工程师进行繁琐的内部声场建模。该边界元模型用于确定不同风道截面产生的驻波频率。结构的振动采用耦合有限元（FEM）进行研究，使驻波在共振时不会激励管道和系统的其他部分。
接下来，工程师要获取从进气口到驾驶员耳旁的噪声传递函数。他们在驾驶室内设置了一个低频声源，并使用Simcenter SCADAS移动测试系统测量喷嘴处相应的频率响应。这种测试系统具有易移植性、数据收集速度快、与Simcenter产品组合中的仿真解决方案无缝集成。这种测试能够使工程师能够反求进气口到驾驶室内部的噪声传递函数（NTF）。
最后，将NTF乘上结构激励和声学激励就能确定车内总噪声。噪声结果可以用三维云图来表示声波能量在驾驶室内部的分布，并且可以确定任何声功率密度的热点。工程师可以快速修改进气系统的设计，增加谐振腔，结构加强或其他修改以消除共振。他们几乎可以立刻看到这些修改的结果。几轮这样的修改通常都是为了优化驾驶室内部的噪声水平。
在开发后期，Donaldson的工程师使用Simcenter SCADAS移动测试设备在台架上进行加速振动疲劳试验。在台架上短短一两天的时间进气系统承受的振动就相当于在道路正常行驶整个生命周期的时间。
预测过程取得成功
“使用基于Simcenter产品组合的声学仿真解决方案的预测过程，我们的工程团队可以在几个小时内完成可能需要数月甚至数年的研究，并在物理模型上花费数万欧元。” Proost说，“这种方法赋予我们开发整个进气系统，对其进行优化以满足严格的噪音限制的能力。我们领先的声学知识无疑已成为一项关键的竞争优势，帮助我们从全球汽车制造商那里获得供应链上的研发合同。”