前言

自 2005 年發(fā)布以來，VA One 已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、船舶等多個行業(yè)領(lǐng)域。VA One 開發(fā)團隊每年都會對軟件進行功能迭代與優(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)容將對比 VA One 2024 與舊版本，重點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與優(yōu)勢，幫助用戶更好地理解并應(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 界面進行了大幅更新，整體顯示更加簡潔直觀，顯著提升了用戶的操作便利性。用戶可通過快捷鍵快速對模型進行操作，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 即可實現(xiàn)對子系統(tǒng)厚度屬性的可視化顯示，同時軟件還新增了多種旋轉(zhuǎn)和投影視角切換方式，方便用戶從不同視角查看模型細節(jié)。

針對大型復(fù)雜模型，GUI 中更新了模型分組與分組管理功能，用戶可以方便地進行模型分組、取消分組等操作，通過對模型數(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 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，方便用戶快速識別和檢查。

在后處理顯示方面，新版本的界面也更加簡潔易用，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)果的匯報和二次處理。對于變厚度聲學(xué)包設(shè)計，VA One 2024 還支持變厚度分布的云圖可視化，進一步增強了聲學(xué)設(shè)計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)計能量分析）是 VA One 的核心求解器之一，也是業(yè)界公認的高頻空氣噪聲分析標桿工具。在 VA One 2023 及后續(xù)版本中，SEA 建模功能進行了多項重要更新。

首先，在節(jié)點處理功能方面，新版本支持對節(jié)點進行指定方向的移動和偏移操作。在實際項目如改款車型NVH 開發(fā)，用戶可以基于現(xiàn)有車型的SEA 模型，通過節(jié)點移動快速生成新的整車 SEA 模型，無需完全重新建模，大幅提升了建模效率。此外，新版本還新增了節(jié)點測距功能，方便用戶在調(diào)整節(jié)點時快速獲取精準距離數(shù)據(jù)。

在結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)建模方面，用戶可以更靈活地切換子系統(tǒng)類型。例如，將汽車前擋風(fēng)玻璃的子系統(tǒng)類型從平板快速轉(zhuǎn)換為曲面板或雙曲面板，以更真實地模擬實際結(jié)構(gòu)形態(tài)。對于加筋結(jié)構(gòu)的建模，VA One 的屬性庫中新增了 General Ribbed Property 類型，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還提供了孔洞自動填充功能，針對系統(tǒng)中對計算結(jié)果影響不大的工藝孔利用該功能可快速實現(xiàn)孔洞的填充。

對于聲腔 SEA 子系統(tǒng)建模，新版本提供了布爾運算功能，子聲腔的合并、作差等操作更為方便，對聲腔的處理也更為靈活。用戶也可使用 Clipping Control、Add Sectioning Plane 等多種方式對子系統(tǒng)進行切割，且切割后的子系統(tǒng)可再次進行合并與調(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)外部聲場環(huán)境，進一步簡化聲腔建模流程，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，可實現(xiàn)對存在自由邊子系統(tǒng)之間的連接（Auto-connect無法實現(xiàn)存在自由邊子系統(tǒng)之間的連接），同時容差連接也能實現(xiàn)耦合面與結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)面積不一致情況下的連接（如當汽車頂棚子系統(tǒng)劃分為一個子系統(tǒng)而車內(nèi)聲腔劃分為多個子系統(tǒng)的情況）。

圖7 新增容差連接功能

2.2 BEM 求解器更新

對于輻射噪聲分析，VA One用戶可選擇使用邊界元（BEM）求解器進行計算。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計算機內(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，求解效率通常會顯著下降。為解決大型復(fù)雜 BEM 模型在高頻段的計算瓶頸，ESI 自 VA One 2018 起引入了 H-Matrix 方法并持續(xù)優(yōu)化升級。

H-Matrix 的基本思想是在求解邊界積分方程（BIE）矩陣時，將大規(guī)模矩陣分解為一組小的子矩陣，并通過低秩近似技術(shù)對這些子矩陣進行高效求解，從而在保證計算精度的前提下，顯著提升邊界元模型的計算速度并降低內(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，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，進一步拓展了 BEM 在多種實際應(yīng)用場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，方便用戶直觀檢查復(fù)雜場景下的聲波繞射路徑。同時針對模型所需的射線數(shù)量，軟件內(nèi)置了自動化腳本，可根據(jù)模型規(guī)模預(yù)估所需的聲射線數(shù)，在保證計算精度的前提下有效提高求解效率。

此外，VA One對Ray Tracing 求解器的性能也進行了持續(xù)優(yōu)化，新版本進一步降低了對計算機內(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展至中高頻段噪聲分析。傳統(tǒng) SEA 方法通過將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)簡化為平板、曲面板等理想化子系統(tǒng)來描述整體行為，因此在剛度、質(zhì)量等參數(shù)上與真實結(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結(jié)構(gòu)細節(jié)特征不敏感的高頻段空氣噪聲激勵分析。隨著分析頻率的增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎曲波波長變短，也不適合使用有限元子系統(tǒng)進行該頻段的響應(yīng)分析。在此背景下，Numerical SEA 求解器應(yīng)運而生，其核心思想是在 SEA 理論框架下，針對系統(tǒng)中幾何和連接特征較為復(fù)雜的部分，采用有限元方法對統(tǒng)計能量參數(shù)進行求解，以彌補經(jīng)典 SEA 方法在結(jié)構(gòu)細節(jié)描述方面的局限性。該求解過程依托 ESI 的有限元分析軟件 VPS 來完成。

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

目前，Numerical SEA 特別適用于分析存在周期性結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)場景，在未來的版本更新中，Numerical SEA 將進一步完善，逐步覆蓋更加復(fù)雜的工業(yè)噪聲與振動分析需求，助力用戶在中高頻段實現(xiàn)快速準確的聲學(xué)性能預(yù)測與優(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型，已廣泛應(yīng)用于包括汽車風(fēng)噪在內(nèi)的氣動噪聲仿真分析中。相比傳統(tǒng)使用湍流邊界層（TBL）和擴散場聲源（DAF）等理想聲源模擬方式，GSP 通過結(jié)合聲壓場和載荷波數(shù)譜的加載方式，更加貼近實際工況下的脈動載荷激勵特性，能夠有效提升仿真結(jié)果的準確性與可靠性。

在 VA One 2024 中，GSP 的適用范圍進一步擴展，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），為用戶在實際復(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

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）求解效率上均實現(xiàn)了顯著提升。同時，新版本還對低頻結(jié)構(gòu)及聲學(xué)有限元求解器（FE）以及 PEM 模塊進行了優(yōu)化與擴展。

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

作者簡介

馬濤，VA One解決方案專家

畢業(yè)于重慶大學(xué)車輛工程專業(yè)，碩士研究生，研究方向為汽車NVH性能。曾就職于東風(fēng)等汽車主機廠，熟悉整車NVH性能開發(fā)流程，擅長聲學(xué)包及風(fēng)噪性能分析等。2022年起擔任VA One中國區(qū)技術(shù)專家，負責推進VA One在中國市場的應(yīng)用及部署、對用戶進行高級培訓(xùn)等工作，致力于推動虛擬樣機解決方案在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。