前言

自 2005 年發(fā)布以來(lái)，VA One 已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、船舶等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。VA One 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)每年都會(huì)對(duì)軟件進(jìn)行功能迭代與優(yōu)化，目前最新版本為 VA One 2024。與以往版本尤其是 VA One 2020 及更早版本相比，VA One 2024 在操作界面、建模與求解效率，以及某些特定場(chǎng)景（如風(fēng)噪分析）方面均有顯著提升與更新。

本期內(nèi)容將對(duì)比 VA One 2024 與舊版本，重點(diǎn)介紹新版本在各模塊的建模能力與求解器性能方面的改進(jìn)與優(yōu)勢(shì)，幫助用戶(hù)更好地理解并應(yīng)用這一版本的最新功能。

一. 3D Windows 更新

如圖 2 所示，自 VA One 2021 起，軟件的GUI 界面進(jìn)行了大幅更新，整體顯示更加簡(jiǎn)潔直觀，顯著提升了用戶(hù)的操作便利性。用戶(hù)可通過(guò)快捷鍵快速對(duì)模型進(jìn)行操作，例如，按住 H 鍵即可快速查看所有快捷操作指令。在界面設(shè)置中，勾選 Show Shell Thickness 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)厚度屬性的可視化顯示，同時(shí)軟件還新增了多種旋轉(zhuǎn)和投影視角切換方式，方便用戶(hù)從不同視角查看模型細(xì)節(jié)。

針對(duì)大型復(fù)雜模型，GUI 中更新了模型分組與分組管理功能，用戶(hù)可以方便地進(jìn)行模型分組、取消分組等操作，通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)的分組管理，可顯著提升建模的效率。在子系統(tǒng)連接（耦合）可視化方面，最新版本中對(duì) double wall junction、泄漏連接及隔振連接等特殊連接在顯示顏色上做了區(qū)分，方便用戶(hù)快速識(shí)別和檢查。

在后處理顯示方面，新版本的界面也更加簡(jiǎn)潔易用，支持一鍵將曲線結(jié)果保存為圖片格式或 CSV 文件格式，方便結(jié)果的匯報(bào)和二次處理。對(duì)于變厚度聲學(xué)包設(shè)計(jì)，VA One 2024 還支持變厚度分布的云圖可視化，進(jìn)一步增強(qiáng)了聲學(xué)設(shè)計(jì)與分析的靈活性和直觀性。

圖2 VA One GUI更新

圖3 模型分組更新

圖4 連接顯示更新

圖5 后處理界面

二. 建模及求解器更新

2.1 SEA 建模

SEA（統(tǒng)計(jì)能量分析）是 VA One 的核心求解器之一，也是業(yè)界公認(rèn)的高頻空氣噪聲分析標(biāo)桿工具。在 VA One 2023 及后續(xù)版本中，SEA 建模功能進(jìn)行了多項(xiàng)重要更新。

首先，在節(jié)點(diǎn)處理功能方面，新版本支持對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行指定方向的移動(dòng)和偏移操作。在實(shí)際項(xiàng)目如改款車(chē)型NVH 開(kāi)發(fā)，用戶(hù)可以基于現(xiàn)有車(chē)型的SEA 模型，通過(guò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)快速生成新的整車(chē) SEA 模型，無(wú)需完全重新建模，大幅提升了建模效率。此外，新版本還新增了節(jié)點(diǎn)測(cè)距功能，方便用戶(hù)在調(diào)整節(jié)點(diǎn)時(shí)快速獲取精準(zhǔn)距離數(shù)據(jù)。

在結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)建模方面，用戶(hù)可以更靈活地切換子系統(tǒng)類(lèi)型。例如，將汽車(chē)前擋風(fēng)玻璃的子系統(tǒng)類(lèi)型從平板快速轉(zhuǎn)換為曲面板或雙曲面板，以更真實(shí)地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)形態(tài)。對(duì)于加筋結(jié)構(gòu)的建模，VA One 的屬性庫(kù)中新增了 General Ribbed Property 類(lèi)型，支持筋向任意方向布置，并在結(jié)構(gòu)與聲源特性描述中引入了 波動(dòng)法（Wave Method）（Ribbed Property 采用模態(tài)法），使加筋結(jié)構(gòu)分析更加精確靈活。VA One 2024還提供了孔洞自動(dòng)填充功能，針對(duì)系統(tǒng)中對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的工藝孔利用該功能可快速實(shí)現(xiàn)孔洞的填充。

對(duì)于聲腔 SEA 子系統(tǒng)建模，新版本提供了布爾運(yùn)算功能，子聲腔的合并、作差等操作更為方便，對(duì)聲腔的處理也更為靈活。用戶(hù)也可使用 Clipping Control、Add Sectioning Plane 等多種方式對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行切割，且切割后的子系統(tǒng)可再次進(jìn)行合并與調(diào)整，大幅提高了復(fù)雜系統(tǒng)建模的效率于靈活性。另外，VA One 2024 新增了基于拉伸結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)快速生成 SEA 聲腔的功能，適用于快速搭建系統(tǒng)外部聲場(chǎng)環(huán)境，進(jìn)一步簡(jiǎn)化聲腔建模流程，提高整體工作效率。

圖6 新增SEA建模工具

在子系統(tǒng)連接（耦合）方面，新版VA One中增加了容差連接（Tolerant Junction）的方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)存在自由邊子系統(tǒng)之間的連接（Auto-connect無(wú)法實(shí)現(xiàn)存在自由邊子系統(tǒng)之間的連接），同時(shí)容差連接也能實(shí)現(xiàn)耦合面與結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)面積不一致情況下的連接（如當(dāng)汽車(chē)頂棚子系統(tǒng)劃分為一個(gè)子系統(tǒng)而車(chē)內(nèi)聲腔劃分為多個(gè)子系統(tǒng)的情況）。

圖7 新增容差連接功能

2.2 BEM 求解器更新

對(duì)于輻射噪聲分析，VA One用戶(hù)可選擇使用邊界元（BEM）求解器進(jìn)行計(jì)算。VA One BEM 求解器包含了Standard BEM Solver 和 H-Matrix Solver。

在邊界元模型中，模型的求解效率及對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的需求與模型的自由度緊密相關(guān)。分析頻率越高，所需網(wǎng)格數(shù)越多，自由度也隨之增加，求解效率通常會(huì)顯著下降。為解決大型復(fù)雜 BEM 模型在高頻段的計(jì)算瓶頸，ESI 自 VA One 2018 起引入了 H-Matrix 方法并持續(xù)優(yōu)化升級(jí)。

H-Matrix 的基本思想是在求解邊界積分方程（BIE）矩陣時(shí)，將大規(guī)模矩陣分解為一組小的子矩陣，并通過(guò)低秩近似技術(shù)對(duì)這些子矩陣進(jìn)行高效求解，從而在保證計(jì)算精度的前提下，顯著提升邊界元模型的計(jì)算速度并降低內(nèi)存占用。

在 VA One 2024中，H-Matrix BEM 求解器亦可用于內(nèi)外聲場(chǎng)的輻射噪聲分析，并支持邊界元與有限元的模態(tài)耦合分析。同時(shí)，該方法也支持在模型中施加阻抗等復(fù)雜聲學(xué)邊界條件，進(jìn)一步拓展了 BEM 在多種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的適用性與靈活性。

圖8 BEM求解器更新

2.3 Ray Tracing建模更新

聲線法（Ray Tracing）是 VA One 中用于中高頻段噪聲分析的幾何聲學(xué)方法，廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外噪聲響應(yīng)分析及語(yǔ)音清晰度仿真，目前在軌道交通、航空航天等行業(yè)已有大量實(shí)際應(yīng)用。

自 VA One 2019 版本起，聲射線法新增了聲衍射功能，并支持衍射邊界的可視化顯示，方便用戶(hù)直觀檢查復(fù)雜場(chǎng)景下的聲波繞射路徑。同時(shí)針對(duì)模型所需的射線數(shù)量，軟件內(nèi)置了自動(dòng)化腳本，可根據(jù)模型規(guī)模預(yù)估所需的聲射線數(shù)，在保證計(jì)算精度的前提下有效提高求解效率。

此外，VA One對(duì)Ray Tracing 求解器的性能也進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化，新版本進(jìn)一步降低了對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存資源的占用，為大規(guī)模中高頻聲學(xué)仿真提供了更高的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。

圖9 Ray Tracing 更新

2.4 Numerical-SEA求解器新增

在 VA One 2024 中，軟件新增了全新的 Numerical SEA 求解器，旨在將傳統(tǒng) SEA 的適用范圍從高頻段擴(kuò)展至中高頻段噪聲分析。傳統(tǒng) SEA 方法通過(guò)將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為平板、曲面板等理想化子系統(tǒng)來(lái)描述整體行為，因此在剛度、質(zhì)量等參數(shù)上與真實(shí)結(jié)構(gòu)存在一定差異，因而傳統(tǒng)SEA分析方法主要適用于對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征不敏感的高頻段空氣噪聲激勵(lì)分析。隨著分析頻率的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲波波長(zhǎng)變短，也不適合使用有限元子系統(tǒng)進(jìn)行該頻段的響應(yīng)分析。在此背景下，Numerical SEA 求解器應(yīng)運(yùn)而生，其核心思想是在 SEA 理論框架下，針對(duì)系統(tǒng)中幾何和連接特征較為復(fù)雜的部分，采用有限元方法對(duì)統(tǒng)計(jì)能量參數(shù)進(jìn)行求解，以彌補(bǔ)經(jīng)典 SEA 方法在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)描述方面的局限性。該求解過(guò)程依托 ESI 的有限元分析軟件 VPS 來(lái)完成。

從聲波傳播角度來(lái)看，Numerical SEA 將子系統(tǒng)響應(yīng)分為直接場(chǎng)和混響場(chǎng)，分析過(guò)程中依然沿用 SEA 理論中的擴(kuò)散場(chǎng)互惠原則描述兩者的相互作用關(guān)系。其中，混響場(chǎng)的計(jì)算延續(xù)了傳統(tǒng) SEA 的理論方法，而 SEA 系統(tǒng)參數(shù)則依賴(lài)有限元計(jì)算結(jié)果作為輸入，從而保證了建模的準(zhǔn)確性與可靠性。

目前，Numerical SEA 特別適用于分析存在周期性結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)場(chǎng)景，在未來(lái)的版本更新中，Numerical SEA 將進(jìn)一步完善，逐步覆蓋更加復(fù)雜的工業(yè)噪聲與振動(dòng)分析需求，助力用戶(hù)在中高頻段實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的聲學(xué)性能預(yù)測(cè)與優(yōu)化。

2.5 GSP載荷更新

General Surface Pressure（GSP）是自 VA One 2016 版本起新增的一種載荷類(lèi)型，已廣泛應(yīng)用于包括汽車(chē)風(fēng)噪在內(nèi)的氣動(dòng)噪聲仿真分析中。相比傳統(tǒng)使用湍流邊界層（TBL）和擴(kuò)散場(chǎng)聲源（DAF）等理想聲源模擬方式，GSP 通過(guò)結(jié)合聲壓場(chǎng)和載荷波數(shù)譜的加載方式，更加貼近實(shí)際工況下的脈動(dòng)載荷激勵(lì)特性，能夠有效提升仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

在 VA One 2024 中，GSP 的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展，現(xiàn)已支持加載于有限元結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上（在舊版本中，GSP 僅支持加載在 SEA 結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上），為用戶(hù)在實(shí)際復(fù)雜結(jié)構(gòu)上的風(fēng)噪建模與分析提供了更大的靈活性與適用性。

三. 結(jié)束語(yǔ)

以上便是 VA One 2024在核心求解器與建模功能方面的主要更新內(nèi)容。與舊版本相比，最新版本在 SEA 建模 和 BEM（邊界元）求解效率上均實(shí)現(xiàn)了顯著提升。同時(shí)，新版本還對(duì)低頻結(jié)構(gòu)及聲學(xué)有限元求解器（FE）以及 PEM 模塊進(jìn)行了優(yōu)化與擴(kuò)展。

在后續(xù)版本中，VA One 還將針對(duì)有限元和邊界元求解器推出全新的用戶(hù)界面（UI），為用戶(hù)帶來(lái)更加高效便捷的建模與分析體驗(yàn)，敬請(qǐng)期待。

作者簡(jiǎn)介

馬濤，VA One解決方案專(zhuān)家

畢業(yè)于重慶大學(xué)車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)，碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)NVH性能。曾就職于東風(fēng)等汽車(chē)主機(jī)廠，熟悉整車(chē)NVH性能開(kāi)發(fā)流程，擅長(zhǎng)聲學(xué)包及風(fēng)噪性能分析等。2022年起擔(dān)任VA One中國(guó)區(qū)技術(shù)專(zhuān)家，負(fù)責(zé)推進(jìn)VA One在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用及部署、對(duì)用戶(hù)進(jìn)行高級(jí)培訓(xùn)等工作，致力于推動(dòng)虛擬樣機(jī)解決方案在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。