研发工具MPCCI
多物理场耦合的标准
MpCCI----多物理场耦合的标准
1. MPCCI简介
MpCCI （Mesh-based parallel Code Coupling Interface）由德国SCAI开发，其目的是为了提供一个独立于应用的接口来耦合不同的仿真代码。利用MpCCI软件可以实现两个或多个仿真代码在耦合区域的网格之间的数据交换，通常情况下，不同仿真代码的网格是互不兼容的，MpCCI可以通过自身的耦合及插值算法达到在不同网格之间进行数据交换的目的，即实现了多场耦合的仿真计算。
MpCCI的代码适配器能够对不同仿真代码进行解析，并且MpCCI耦合服务器将所涉及到的所有一一对应物理参量（包括全局参量、能量源、动量源、材料属性、边界条件、网格数据以及化学成分等等）进行标准化，使之成为MpCCI中统一的物理参量，以便在耦合定义过程中进行选取。数据交换的复杂细节被隐藏在简洁的MpCCI界面接口之后。
大多数商业CFD/FEM软件允许用户通过应用程序接口增加额外的特征、物理模型、边界条件，因而在用户定义子程序内部存取内部数据结构是可能的，甚至于通过子程序参数、全局变量或者通过内部模型来读取和保存数据。MpCCI正是使用这种能力完成和其它商用软件的连接。
2. MpCCI软件的技术优势
MpCCI的技术优势体现在以下八个方面：
（1）. 降低采购成本。
用户可以利用现有的CFD软件和结构分析软件，因而可以降低软件购置成本。如用户如果已经有FLUENT软件和NASTRAN软件，那么就仅仅需要采购MpCCI软件就可以了。
（2）. 容易使用
采用MpCCI完成流固耦合分析，利用用户熟悉的仿真软件如FLUENT、MD-NASTRAN或ABAQUS进行前后处理，不需要用户学习其它的软件，而MpCCI的使用是非常容易的，大约一天就可以学会。
（3）. 基于MpCCI的流固耦合方案可以模拟任意速度范围的流固耦合问题
各种工业应用中的流固耦合问题面对的耦合情况非常复杂，既有可能是像液压系统、燃油系统、充液管道系统这样的不可压缩流作用下的流固耦合，也可能涉及到像飞行器这样的可压缩流场作用下的气动弹性耦合问题。在实际情况下，仅仅采用单一的CFD求解器很难实现从不可压缩到可压缩流的各种流场的高效求解。比如对于强压缩流动问题可以选择FLUENT中基于密度的求解器，对于像飞行器水下发射系统的问题可以选择基于压力的求解器。基于MpCCI流固耦合方案可以根据用户计算模型的特点选择合适的求解器进行高效率的模拟。因此，基于MpCCI流固耦合解决方案通过选择合适的求解器可以解决从不可压缩流到高超音速的流固耦合问题。
（4）. 基于MpCCI的流固耦合方案可以求解涉及复杂流动机理的流固耦合问题
在进行工业级的数值模拟仿真时往往会遇到流动机理极其复杂的耦合问题。比如飞行器在高马赫数条件下，由于相对温差较大，需要考虑辐射等传热因素。上述问题都是需要考虑复杂流动机理的问题。基于MpCCI的流固耦合方案可以选择合适的CFD软件，如FLUENT包含丰富的物理模型，MpCCI与FLUENT软件结合可以模拟辐射、VOF模型、自由表面等问题。因此，基于MpCCI的流固耦合方案可以模拟包含非常复杂的流动机理的流固耦合问题。
（5）. 基于MpCCI的流固耦合方案可以模拟大位移和大变形的流固耦合问题
流固耦合分析的目的就是研究流体和固体间的相互作用对固体结构和流场的影响，在大变形情况下流固耦合的相互作用更加突出。在实际工程分析过程中多数都需要考虑具有大位移、大变形特征的流固耦合问题。支持大变形和动态网格是能够实现流固耦合的基础。基于MpCCI流固耦合方案可以选择像FLUENT这样包含非常完善和先进的动网格技术的CFD软件，基于FLUENT所提供的弹簧光顺、动态层铺、局部网格重构三种动网格技术，可以求解像具有不同的运动规律的多个区域运动等复杂的动网格问题。因此基于MpCCI流固耦合方案可以顺利模拟涉及大变形和大位移的流固耦合问题。
（6）. 基于MpCCI的流固耦合方案能够实现时间异步的流固耦合分析
流固耦合分析的计算量是非常巨大的，其时间复杂度是单独求解固体时间复杂度与单独求解流体时间复杂度的乘积。海量的计算量是实现工业级流固耦合分析的巨大障碍，这是由流固耦合分析所需要处理的复杂问题决定的。首先，对同一个流固耦合问题，流体和固体的模拟响应时间往往是有差别的。比如在分析稳态的流固耦合热传导问题时，热量的传输过程比在固体中的扩散过程快很多，因此流体区域的计算时间需要取更小的时间步长。另外，至于求解精度和数值稳定性的考虑，CFD软件和FEM软件对其分析的时间步长也往往是有不同的限制的。比如固体区域中采用显式算法求解器运算时，有限元分析的时间步长需要小于固体中的波速通过最小单元的时间。如果流体区域和固体区域都采用相同的时间步长，可能会导致流固耦合计算效率的大大降低。因此，在流体区域和固体区域采用相同的时间步长在绝大多数工程实际问题是不适宜的。基于MpCCI的流固耦合方案采用时间异步技术，可以根据固体求解器和流体求解器的效率和并行性能的特点灵活合理的设置不同的流体和固体的时间步长，大大降低流固耦合的计算时间复杂度。
（7）. 基于MpCCI的流固耦合解决方案能够实现在各种计算平台、各种网络环 境下高效率的并行计算
MpCCI采用客户机服务器体系结构，客户机和服务器的通信采用通用的MPI协议，使得基于MpCCI的流固耦合方案可以运行各种主流的如超级计算机、PC Cluster等计算机平台和TCP/IP、Infiniband、Myrinet等网络环境。MpCCI可以采用后台方式运行，支持LSF、PBS等并行批处理作业和计算机系统资源管理工具。在计算的过程中，客户端代码本身的并行仍然采用原有的并行机制，如FLUENT、NASTRAN、ABAQUS、ANSYS仍然采用各自的并行方式，基于MpCCI的流固耦合解决方案不会影响客户端软件的并行性能。另外，基于MpCCI的流固耦合解决方案既可以让客户端程序之间串行方式执行，也可以并性方式执行。如FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS同时求解，在完成一个时间步后交换数据，然后FLUENT和NASTRAN/ABAQUS/ANSYS再同时求解，如此循环。这将极大提高大负荷问题的解算效率。因此，基于MpCCI的流固耦合解决方案能够在各种环境下实现高效率的并行计算。
（8）. 基于MpCCI的耦合解决方案能够实现流体、固体、热、电磁、控制等多物理环境耦合分析
真实环境下CAE模拟的对象除了流固耦合的相互作用，还会由其他传热、辐射和反馈控制等更多的因素。比如飞行器控制系统对飞行器操纵控制等多种因素相互作用相互影响的问题。基于MpCCI的耦合解决方案可以解决三个或者三个以上的多物理场耦合问题，能够实现流体、固体、热、电磁、控制等诸多物理环境耦合分析。
3. MpCCI软件支持高性能计算
MpCCI支持目前各种主流的操作系统。具体包括：
Windows操作系统：
Windows XP、 Windows XP 64、Windows Vista、Windows Vista 64
Linux操作系统：
Redhat、SUSE等linux操作系统
Unix操作系统：
支持HP-UX 11.00、HP-UX 11.22、HP-UX 11.23、IBM AIX 5.1、IBM AIX 5.2、IBM AIX 5.3、SUN Solaris 、OSF、SGI IRIX等
MpCCI支持各种dual core、quad core的CPU类型。具体包括：
Intel x86、Intel EMT64、Itanium I、Itanium II
AMD x86、AMD64、AMD Opteron
SUN Sparc系列处理器
IBM Power系列处理器
HP PA-RISC系列处理器
软件的并行能力
MpCCI本身的并行数目没有限制，并行能力由与MpCCI连接的应用软件的并行能力决定。基于MpCCI的流固耦合解决方案不会影响客户端软件的并行性能。另外，基于MpCCI的流固耦合解决方案既可以让客户端程序之间串行方式执行，也可以并性方式执行。如FLUENT和ABAQUS/ANSYS同时求解，在完成一个时间步后交换数据，然后FLUENT和ABAQUS/ANSYS再同时求解，如此循环，这将极大提高大负荷问题的解算效率。因此，基于MpCCI的流固耦合解决方案能够在各种环境下实现高效率的并行计算。
列举软件可并行的模块
MpCCI的核心服务器和底层应用程序都支持并行。
列举软件不能并行的模块
MpCCI的代码适配器不能并行，因为代码适配器仅仅是扫描底层应用程序的数据库文件的格式和语法，它的IO量和计算量几乎可以忽略不计，因此不需要并行。
软件并行对网络互联的支持，比如infiniband
MpCCI利用MPICH作为内部通信接口，支持infiniband、Myrinet等网络环境下的并行计算。
网格计算（Grid computing）
MpCCI支持后台方式运行，支持LSF、PBS、NQS等批处理作业和计算机系统资源管理工具。
二. MPCCI流固耦合算例介绍
1. 安全壳冷却问题
本项目重点针对非能动安全壳冷却系统（PCS），由一台与安全壳屏蔽构筑物结构合为一体的储水箱、从水箱经由水量分配装置将水输运至安全壳壳体的管道，以及相关的仪表、管道和阀门构成，其效果示意图如图所示：
&安全壳与屏蔽构筑物非能动冷却效果示意图
当反应堆发生堆芯熔化，熔融物堆积在压力容器RPV下封头内，阻止核辐射向外扩散的问题简称为IVR问题。（In-Vessel Retention)
发生事故后，RPV外部补水冷却，发生沸腾和汽水混合流动现象（流体沸腾与两相流问题）。随着温度的降低，熔融物发生凝固（流体凝固问题）。同时由于熔融物凝固点比RPV(钢）的熔点要高，因此RPV会发生局部熔化下现象（固体熔化问题）。另外由于长时间的处于高温状态，又会发生高温蠕变效应（结构力学问题）。
这个问题重要性非常高，仅高温蠕变实验都非常难做（国内很难找到如此高温的实验环境）。尤其是此次日本核电站事故，导致这些问题一定要研究清楚。
安全壳示意图
安全壳是一个球冠体，内部高温水沸腾形成水蒸气，水蒸气又会形成自然对流，当水蒸气接触到安全壳较冷的上壁面时会发生冷凝现象；安全壳外部淋水，液态水会发生蒸发现象以及两相流问题。内外之间通过安全壳体传热耦合。这也是需要MPCCI来解决。
MpCCI耦合计算方案示意图
综合上述物理现象，在本项目中，使用MpCCI软件作为耦合计算的工具软件，并且可以使用通用的CAE及CFD仿真软件针对某物理场或某物理现象执行分析。例如，水的沸腾和冷凝，铁的蠕变和融化等。MpCCI在一次计算中可以调用多个CFD 或CAE代码的功能，首次为安全壳问题的解决提供了技术条件。
2. 基于MpCCI的主蒸汽阀热应力和疲劳分析
主蒸汽阀是一个重要的关键设备。在单纯进行有限元分析时，其一般方法是定义所有简单的边界条件----将整个阀门内表面传热系数设置为一个固定的相同值（如α = 10.000 W/m2K）。在结果方面：疲劳程度高，也无法评估这种处理方法是否对所有的情况都是保守的。
流固耦合计算可以提供可靠的边界条件，避免单纯有限元仿真的弱点。从耦合仿真结果看出流速存在巨大的差异，最大流速为85m/s。最小流速区域不到10m/s，这一区域壁面上的热传递和热载荷没那么强烈。低于1.000 W/m2K的传热系数会在壁面和蒸汽之间产生相当的温度差，因此简单的边界条件（10.000 W/m2K）过于保守。
使用基于MpCCI的流固耦合方法，通过使用流体仿真的计算结果作结构分析的边界条件施加于蒸汽阀上，将更加接近于真实的情况。疲劳仿真的结果也将更加准确。
& 蒸汽阀结构及流速仿真结果
3. 柴油发动机缸盖流固耦合分析
发动机设计厂商：德国道依茨公司
发动机型号：BF6M2013
燃油消耗195g/kWh
最大扭矩940Nm
仿真计算流程：
缸盖热应力的预测在很大程度上取决于流体的影响。高温气体进入流道并且加热，使缸盖温度升高，缸盖上的温度梯度产生热应力。通过直接的仿真软件耦合，可以将由FLUENT软件计算出的流体温度和传热系数传递给结构软件ABAQUS。利用这些参量，ABAQUS就可以计算出热通量以及缸盖上的温度分布。随后，再由ABAQUS计算缸盖的热应力。
本次仿真计算中，采用了两种方法对缸盖进行仿真计算。一种是分别采用CFD或FEM软件对缸盖进行独立的仿真计算；另一种是采用基于MpCCI的流固热耦合解决方案，在一次计算中同时调用CFD和FEM软件对缸盖进行多场耦合计算。
模型准备：
流体计算的计算域，边界条件和参数如下：
&流体计算域
流体计算的边界条件及参数
有限元计算的计算域，边界条件和参数如下：
&有限元计算域 & & & & & & && & & &&&&&&& 有限元计算的边界条件及参数
结果分析：
经两种方法的仿真计算，得到的结果比较如下：
&耦合面热通量
耦合面温度分布
&缸盖外表面温度分布
缸盖热应力分布
由以上的结果比较可以发现，基于MpCCI的发动机流固热耦合仿真解决方案较之单场仿真的方法，能够提供更加精确，全面，更加靠近实际的仿真结果：
&底板附近的温度高于单场仿真的预期值。
&存在反向传热区域。
&最大应力比较单场仿真的预期值高出了大约5%。
4. 电磁设计中的多物理场耦合应用
对于磁-热耦合，电-热耦合以及CFD-emag耦合仿真，虽然名称和使用的仿真工具可能有所不同，但是原理往往是相同的。通过交流电的电器设备，由于电阻作用而生热（焦耳热）。这会导致温度升高，使导体的电阻率增加，进而产生更多的热量。
在本项目中，电磁特性由FLUX软件进行计算，热力学特性有ICEPAK软件计算，使用MpCCI控制两种软件的耦合计算。在这里需要指出，ICEPAK被用于热力学仿真的前处理，而用于作为求解器的是FLUENT。耦合仿真的流程如下图所示。
&磁热耦合仿真流程
5. 节流阀流固耦合
阀耐实验有限公司是世界最领先的阀门公司，应用MpCCI、ABAQUS、FLUENT对气阀进行优化设计。设计目标为：在定制的工程阀上，要求在变化的入口压力条件下得到恒定的流量输出。
气阀的工作原理：在变压的入口，气流作用在阀门口的超弹性材料上，随着入口压力的增大，在流速增大的同时，由于超弹性材料产生的大变形，逐渐缩小入口口径，这样就保证通过气阀的流量是一定的。示意如下图：
流动控制阀刨面
实际几何结构和模型如下所示
& 气阀耦合计算结构和模型
固体部分材料是非线性的超弹性材料，采用ABAQUS固体模拟程序，选用C3D8RH杂交减积分单元，大约是22000个单元。橡胶气阀部分和外边界采用有限滑移摩擦。流体部分采用FLUENT软件作为耦合分析的流体计算软件，选择标准k-ε 模型和非结构的四面体，网格数为233000。
通过试验结果和数值模拟结果的比较可以得出结论，基于MpCCI的流固模拟结果是非常可靠的。
为此，得到阀耐公司的高度评价，“与流体的耦合分析避免了利用反复切割实验的方法来开发新产品”。
流量和入口压力关系曲线
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技术服务***： &&& 官方邮箱：摘 要：基于MSC.Nastran 结构声学耦合分析功能，以车内乘员耳旁噪声水平为分析目标，考察某款车型悬置和悬置***位置的垂直冲击输入和扭转振动输入，评估其对车内乘员耳旁噪声水平的贡献，从而为降低乘员耳旁噪声水平，提高乘员舒适性与车辆NVH品质提供优化方向。
关键字：MSC.Nastran，结构声学耦合分析，噪声，NVH
随着我国汽车工业的迅猛发展，汽车保有量的不断增加，人们对高品质高性能的轿车的需求越来越多。在满足高安全、低油耗、经久耐用以及低费用保养的基础上，人们对轿车的驾乘平顺性能和乘坐舒适性能的要求也越来越严格。多数的消费者在驾驶汽车时，期望得到安静与平稳，以能够充分地享用车内语音通讯和车载音像娱乐系统，因此在购买汽车时非常在意汽车的振动与噪声性能。统计分析表明，汽车的振动与噪声性能和消费者对汽车的总体印象和评价直接相关。另一方面，随着汽车技术的不断推陈出新，各级供应商和整车厂之间的日益紧密合作，不同品牌的使用性能和安全性能的差别日趋缩小，相比之下，汽车的舒适性能常常成为区分汽车品牌好坏的重要因素。为了能吸引更多的消费者选购自己品牌的汽车，汽车厂商在产品设计开发时非常重视降低产品的振动噪声水平，以提高车辆的乘坐舒适性能。
目前，汽车振动噪声控制技术常用的方法有两种，一种是基于数值计算的方法，另一种是基于试验测试的方法，二者各有优缺。基于数值计算的方法通过仿真计算来模拟振动噪声特性，便于对结构进行修改，预测和优化，节约时间和成本，但其受限于模型建立的准确水平和计算的边界条件。试验测试方法对实际产品进行振动噪声测试，结果直观，数据准确，能直接反映车辆的NVH 性能。但由于测试需要对实车进行测试，在产品的设计开发阶段，尤其是样车还没有生产出来时无法对产品的振动噪声性能进行测试，因此试验方法无法在设计阶段对车辆的振动噪声性能进行控制。实际的产品开发中，常常需要将两种方法结合起来，共同控制产品的振动噪声水平。
数值计算方法在对车辆噪声水平进行模拟计算时，根据计算频率的要求又可分为有限元法（FEA）和统计能量法（SEA）。有限元法主要是解决低频问题，低频问题的解是确定性的，而随着频率的增加，高频时，模态密度变得非常的密，解决高频问题时就需要统计能量分析。本文采用有限元法，使用MSC.Nastran 的结构声学耦合分析功能，对某款车低频范围（10~200Hz）内发动机与变速器悬置位置的垂直振动输入和扭转振动输入进行考察，分析其对车内乘员耳旁噪声水平的贡献，对噪声源进行识别，从而为降低噪声水平，提高乘员舒适性能提供优化方向。
1 结构声学耦合分析理论基础
1.1 多自由度动力学方程
多质量系统的动力学方程式(1)中，[M]，[C]和[K]分别为多质量系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F}为力向量。
1.2 声学方程
1.2.1 连续性方程式(2)中： ux 为流体在x 方向的速度，ρ为流体的密度
1.2.2 动力方程式(3)中： ux为流体在x 方向的速度， P 为流体的压力
1.2.3 理想气体方程1.2.4 声学方程
由式（2）的连续性方程、式（3）的动力学方程和式（4）的理想气体方程，可以得到一维声学方程1.3 结构声学系统耦合求解
声腔的声学有限元状态方程声腔的结构振动状态方程将式(7)和式(8)联立即可求得结构声学耦合问题的状态方程。这样由车身结构模型和车内空间声学模型可求得车身结构的模态频率和振动模态，车内空间声学模态频率和声学模态，基于此可即求得由结构外载荷输入引起的声腔内某点的声压响应。
2 结构声学耦合分析模型建立
2.1 结构模型的建立
MSC.Nastran 结构声学耦合分析模型的白车身（BIW）结构模型主要采用壳单元（CQUAR4和CTRIA3）来模拟白车身的各个钣金结构零件与玻璃，焊点连接采用CWELD 单元，螺栓连接采用CBAR 单元，粘胶连接采用体单元（CHEXA 和CPENTA）来模拟，计算模型包含主车身模型和各车门模型。其中的主车身模型如图1 所示。计算采用的各种材料力学性能参数如表1 所示。
图1 白车身结构有限元模型2.2 声学模型建立
声学模型主要采用实体单元来对驾驶舱声腔进行模拟，MSC.Nastran 中实体单元可以使用四面体单元（CTETRA）和六面体单元（CHEXA），考虑求解精度与计算量的因素，本次声腔模型采用以六面体为主的网格形式，网格尺寸控制在50mm，每个波长6 个单元，划分完毕的声腔模型如2 图所示，图3 为隐去部分单元的声腔模型，由图3 可以看出声腔的内部为整齐的六面体网格。
图2 声学有限元模型
图3 声学模型内部结构2.3 垂直振动输入和扭转振动输入分析工况定义
汽车发动机和变速器的振动是导致整车系统振动噪声的重要输入。本次分析分别在发动机侧悬置支架和变速器侧悬置支架施加垂直振动输入和扭转振动输入，以车内乘员耳旁噪声声压水平为输出，建立四种工况，具体如表2 所示。表3 为车内乘员左右耳空间位置坐标。MSC.Nastran 响应分析求解方法有两种：直接法和模态法。直接法是对全部耦合的运动方程进行直接的数值积分来求解的，而模态法则是利用结构的模态振型来对耦合的运动方程进行缩减和解耦，然后再由单个模态响应的叠加得到问题的最终解答。二者各有优缺点，直接法的优点是求解结果准确，缺点是由于是直接对耦合的运动方程进行积分计算，求解时间将随着模型单元和节点数目的增加而增加，不太适合多自由度，大分析模型的求解，而模态法是利用结构的模态振型的叠加来求解，考虑到模态截断等问题，其计算精度虽不如直接法精确，但是由于其对运动方程进行了缩减和简化，因此在求解大的模型时，其求解时间会大大缩短。本次分析采用模态法求解，Nastran 求解序列为SOL111。为了保证求解的准确性，结构和声学模态的模态截断求解范围为0~400Hz。
3 计算结果分析评估
3.1 声学模态计算结果
采用模态法求解响应问题，MSC.Nastran 首先需要对结构和声学进行模态分析，计算各阶模态振型和自然频率，以各阶模态振型的叠加求解乘员耳旁噪声的响应水平，图4 为声腔模型的前四阶模态位移振型云图。
图4 声学模态振型声学模态的模态截断范围是0~400Hz，随着频率的增加，模态密度也变得更密，表4 中仅列出0~200Hz 的声学模态结果3.2 乘员耳旁噪声计算结果
3.2.1 乘员耳旁高声压响应噪声源的识别
图5 为四种工况车内乘员耳旁噪声声压响应结果，图中根据响应水平高低可以清晰地分为两簇曲线，其中响应水平较高的为悬置的垂直振动输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应，响应水平较低的为悬置的扭转振动输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应。由此可知，悬置处的垂直振动载荷是导致乘员耳旁噪声声压高响应的主要原因。
图5 四种工况乘员耳旁声压响应3.2.2 发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应
图6 为发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应曲线，对比前面的模态计算结果可以看出，响应峰值对应的区间相应地存在着声学模型的固有模态，图中的声压响应相对较大的区间有90Hz~125Hz、140Hz~170Hz 和190Hz~200Hz，对比表4 的结果可以看到相应的频率区间范围内固有模态也比较密。这种特征在区间140Hz~170Hz 和190Hz~200Hz 比较明显。这是由于发动机悬置处的垂直振动输入激起了声学模型对应区间内的模态而导致的较高的声压响应。
图6 发动机悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应另外的一个能够引起乘员耳旁声压较高的原因是结构声学耦合系统对外载荷的方向的敏感度，由图可知，该系统对垂直方向振动输入响应在区间90Hz~125Hz 和190Hz~200Hz 的响应明显比140Hz~170Hz 要高，部分已经超过设计目标值。由表4 的声学模态计算结果可知，声学系统在60Hz 附近有一阶固有模态，而从响应曲线上并没有看到较高的声压响应。这一点也可从图5 中扭转振动所引起的声压响应得到印证，该结构声学耦合系统对扭转振动的所引起的高声压响应集中在95Hz~165Hz 之间。因此，系统对外载荷方向的敏感程度也是影响响应水平的重要因素之一。
车内乘员的不同位置对该振动输入的响应也有区别，由图可知后排乘员与前排乘员的声压响应峰值和范围略有不同。前排乘员高声压响应的频率区间为90Hz~125Hz，后排乘员的高声压响应的频率范围为115Hz~130Hz。同在前排的乘员的高声压响应也不同，前排驾驶员对102Hz~118Hz 之间的噪声要比前排乘员要更敏感，而前排乘员对90Hz~95Hz 之间的噪声则要更敏感。后排左侧乘员的左耳和右耳会分别在123Hz 和114Hz 听到相对“更响”的噪声。四个乘员之中也只有后排右侧的乘员的位置的噪音相对其他三个要好一些，是四个乘员中“最宁静”的位置。
3.2.3 变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应
图7 为变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁噪声响应曲线，由图可知较高的声压响应频率区间范围集中在60Hz~70Hz、105Hz~128Hz 和136Hz~145Hz 之间。60Hz~70Hz 之间的响应曲线表明，对于变速器侧垂直振动载荷后排乘员噪声声压响应要比前排乘员要敏感。前后排乘员对105Hz~128Hz 区间内的噪声响应差别不大，总体而言此区间前排乘员所能听到的噪声要“更响”一些。后排左侧乘员对136Hz~145Hz 的噪声响应要大一些，此区间内后排右侧乘员的右耳的噪声要比左耳的噪声响应要大一些。
图7 变速器悬置垂直振动输入引起的乘员耳旁声压响应4 结论与展望
本文对车辆的结构声学耦合系统对发动机和变速器悬置位置的垂直振动输入和扭转振动输入的响应进行了计算，获得了乘员耳旁的噪声声压响应。由此得出以下结论：
1） MSC.Nastran 结构声学耦合分析功能可以在产品的设计阶段对车辆乘员舒适性进行仿真计算，获取系统对各种振动输入的响应，从而在产品的设计阶段就可以对产品的性能进行预测，及时发现设计不足与缺陷，并针对此进行优化，节约开发周期和开发成本，提高产品的竞争力。
2） 通过仿真计算可知，发动机和变速器悬置位置的垂直振动输入的响应要比扭转振动的响应要高，因此在设计时需要优先考虑垂直振动输入，通过优化悬置结构，合适的悬置橡胶力学性能的匹配等措施来尽可能降低该种输入所引起的乘员耳旁噪声声压响应。
3） 结构声学耦合系统对不同位置的载荷、不同方向的载荷输入所引起的高的噪声声压响应频率范围和响应峰值也不相同，因此设计时需要对各种位置和各种方向的载荷输入进行校核，必要时还需要对各种载荷的耦合效应进行计算，以此来保证汽车产品有优秀的乘员舒适性能。
参考文献：
[1] 庞剑，何华. 汽车噪声与振动. 北京：北京理工大学出版社，2006.
[2] 张永昌. MSC.Nastran 理论基础与应用. 北京：科学出版社，2004.
[3] 庞剑，周建文. NTF 分析在车内结构噪声问题整改中的应用. 北京：机械工业出版社，2010.
[4] 赵彤航，卢炳武. 基于传递路径分析的汽车车内噪声控制方法研究. 北京：机械工业出版社，2010.
[5] 杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础. 南京：南京大学出版社，2001.
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