Periodico bimestrale
Anno XIX, numero 87
Lug./Ago. 2018
ISSN 1128-3874
METODOLOGIA

La simulazione multifisica per ottimizzare le emissioni sonore

Valerio Marra

Mahindra Two Wheelers si è affidata alla simulazione multifisica per rispondere ai requisiti normativi sulla rumorosità dei motori per le sue motociclette di fascia alta e garantire la soddisfazione dei suoi clienti.

Mahindra Two Wheelers produce una vasta gamma di scooter e motociclette per il mercato indiano. Grazie all’adozione di strumenti di simulazione numerica nella prima fase del ciclo di progettazione, conducenti e passeggeri possono beneficiare di grandi performance e piccoli consumi, oltre che di un’esperienza di viaggio migliore, nonostante le strade sconnesse dell’India. Mahindra si è affidata alla simulazione multifisica per studiare le prestazioni NVH (Noise, Vibration and Harshness, ovvero rumorosità, vibrazioni e confort di guida) di motore, sistema di aspirazione e sistema di scarico.
La conoscenza acquisita grazie agli studi di simulazione numerica permette ai tecnici di migliorare il progetto del motore delle motociclette e raggiungere i livelli di emissione sonora desiderati. “Il software COMSOL ci ha aiutato a ridurre in modo significativo il numero di cicli di progettazione richiesti e, di conseguenza, a risparmiare tempo”, racconta Niket Bhatia, deputy manager R&D in Mahindra.

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Raggiungere livelli sonori ottimali

In un motore, le fonti di rumore sono molte, a partire da processi di aspirazione e combustione, pistoni, ingranaggi, distribuzione e sistema di scarico. Il rumore legato alla combustione dipende dalle vibrazioni meccaniche causate dal rapido aumento di pressione nei cilindri. Dal sistema di propulsione, queste vibrazioni si propagano al carter motore attraverso i cuscinetti, producendo rumore. L’analisi acustica, svolta unicamente attraverso prove sperimentali, può costituire un processo lungo e costoso. Il team di Mahindra ha deciso di associare alle prove fisiche la modellazione acustica, per analizzare come la struttura del motore possa influire sulla trasmissione del rumore. Lo scopo della ricerca era identificare i componenti del motore che generano maggior rumore e studiare delle modifiche strutturali in grado di ridurlo.
Utilizzando il software COMSOL Multiphysics®, i ricercatori hanno eseguito un’analisi della radiazione acustica di un motore monocilindrico a combustione interna (IC) durante il ciclo di combustione. I tecnici hanno incluso la superficie del motore in un dominio computazionale circondato da uno strato perfettamente adattato (Perfectly Matched Layer, PML). Il PML attenua le onde dirette verso l’esterno causando poche o nessuna riflessione (ved. Figura 1):

 

 

Figura 1.: in alto: geometria CAD di un motore. Sopra: mesh del modello 3D, racchiuso in uno strato perfettamente adattato (Perfectly Matched Layer).

è possibile così ottenere risultati accurati e nello stesso tempo ridurre le dimensioni del dominio computazionale.
Il team ha deciso di concentrare la propria analisi sul range di frequenza tra gli 800 e 2000 Hz, perché gli esperimenti fisici indicavano che l’emissione sonora del motore delle motociclette si trovava soprattutto in quella regione dello spettro acustico. Questa scelta ha permesso al team di risparmiare risorse computazionali e comprendere meglio quali aree emettono più rumore. Basandosi su queste analisi, è stato possibile studiare il livello di pressione acustica (SPL) e apportare modifiche alla testata e al blocco cilindri (ved. Figura 2).

 

 

 
Figura 2. In alto -: grafico di una banda su un terzo di ottava. A destra: grafico di superficie 3D dei risultati con il livello di pressione acustica.

 

Figura 3. Struttura del filtro dell’aria. A sinistra: il progetto originario. A destra: il progetto modificato, dotato di nervature per migliorare la ATF.

Correggendo questi parametri, si è ottenuta una riduzione della pressione acustica nella gamma di frequenze considerata.


Ridurre il rumore causato dalle vibrazioni del sistema di aspirazione.

Sia l’aspirazione sia lo scarico contribuiscono in modo importante alla rumorosità della motocicletta in transito. Tra le componenti principali del rumore dell’aspirazione c’è il suono che si propaga dalla struttura di filtraggio dell’aria, di solito realizzata in plastica. Un’analisi di funzione del trasferimento acustico (Acoustic Transfer Function, ATF) è stata effettuata sulle pareti di filtraggio in plastica e la struttura di filtraggio è stata modificata con l’aggiunta di nervature per migliorare l’esito dell’ATF. In questo modo è stato possibile ridurre i rumori strutturali dell’aspirazione (ved. Figura 4).

 

Figura 4. I risultati di simulazione mostrano una riduzione del rumore strutturale per il progetto modificato del filtro dell’aria.


Analizzare la perdita di trasmissione per migliorare il suono della marmitta

I requisiti normativi si scontrano sempre con il desiderio dei clienti di avere un “rombo” più potente dalla marmitta, perché questo viene percepito come un indicatore importante della potenza di una motocicletta. Nei limiti delle emissioni sonore concesse ai veicoli in transito, la sfida per gli ingegneri di Mahindra è stata quella di accrescere il “rombo” delle marmitte sulle basse frequenze, riducendo nello stesso tempo il livello sonoro alle frequenze più alte.
Se da una parte l’attenuazione del rumore di scarico è la funzione primaria della marmitta, dall’altro è necessario considerare anche altri fattori, come la capacità di generare una bassa contropressione e l’allineamento con le direttive sulle emissioni sonore in transito. Le prestazioni di una marmitta nel sistema di scarico di un veicolo sono caratterizzate da tre parametri: perdita di trasmissione, perdita d’inserzione e livello sonoro propagato.
La perdita di trasmissione della marmitta è considerata il parametro più importante; è determinata unicamente dalla progettazione ed è indipendente dalla fonte di pressione. La sfida per il team di Mahindra era prevedere la perdita di trasmissione per la marmitta di una motocicletta e quindi ottimizzare la perdita riducendola ai livelli desiderati per un determinato range di frequenze.
Per l’analisi è stata presa in considerazione la marmitta di una motocicletta con motore monocilindrico. Per lo studio della perdita di trasmissione della marmitta è stato utilizzato COMSOL Multiphysics. Grazie all’Acoustic Module, sono state applicate condizioni di continuità e di parete rigida nelle posizioni appropriate. Le perforazioni nelle condutture sono state definite attribuendo dettagli sulla porosità alle aree perforate grazie a un modello di impedenza incorporato. Gli input richiesti per l’analisi erano l’area di porosità, lo spessore del diaframma e dei tubi e il diametro dei fori. Per materiali porosi come la lana di vetro, la resistività del flusso è stata definita con un modello poroacustico disponibile all’interno del software. La pressione unitaria è stata immessa come input e una condizione di onde piane è stata applicata ai fori di ingresso e uscita. Sulla base dei risultati, il progetto della marmitta è stato modificato aumentando la lunghezza dei tubi all’interno della marmitta stessa. Con queste modifiche, il team ha potuto ridurre la perdita di trasmissione a basse frequenze (ved. Figura 5). Di conseguenza, è stato ottenuto il risultato desiderato: una maggiore pressione sonora alle basse frequenze, ovvero il “rombo”.

 

Figura 5. Confronto della perdita di trasmissione (Transmission Loss, TL)  in due diversi progetti. Il progetto modificato è caratterizzato da una perdita di trasmissione minore sulle basse frequenze e maggiore sulle alte frequenze. Questo progetto ha ottenuto l’effetto “rombo” desiderato, nel pieno rispetto delle normative.

 

Figura 6. Con l’Application Builder, i tecnici di Mahindra hanno creato un’app di simulazione di facile utilizzo per il confronto dei file di analisi e per creare il grafico che descrive il livello di pressione sonora (SPL).

Ottimizzare le prime fasi del ciclo di progettazione porta un risparmio di tempi e costi

“Personalmente, ho molto apprezzato la flessibilità del software e la possibilità di disporre di strumenti come le COMSOL API”, dice Ulhas Mohite, manager R&D in Mahindra. “Ci ha permesso di effettuare un’automazione di progetto tramite un codice Java che, per esempio, durante un’analisi acustica ci ha consentito di usare mesh diverse per diversi step di frequenza, per trovare il giusto compromesso tra l’accuratezza della simulazione e il tempo di elaborazione. Ci ha permesso anche di esportare automaticamente i risultati desiderati come un plot di superficie SPL e dati SPL di campo lungo, durante l’esecuzione della simulazione. Ci ha aiutato così a risparmiare moltissimo tempo rispetto al post-processing e all’esportazione manuale dei dati”. Mohite ha trovato estremamente utile anche l’Application Builder disponibile in COMSOL. “Abbiamo creato un’app di simulazione (ved. Figura 6) utilizzando l’Application Builder per confrontare i file di output dell’analisi ed eseguire il plot dei dati SPL. È stato davvero un grande risparmio di tempo”.
I risultati delle analisi si sono dimostrati molto vicini ai dati delle prove sperimentali. Grazie alla simulazione, i tecnici di Mahindra hanno potuto intraprendere azioni correttive ed eseguire modifiche strutturali basate sui risultati delle analisi nelle prime fasi del processo di progettazione.
Questo ha aiutato a ridurre sia il tempo che i costi necessari per lo sviluppo del prodotto. “Insieme agli esperimenti, queste simulazioni ci hanno guidato nella giusta direzione, verso una soluzione efficiente per il problema della rumorosità delle motociclette”, conclude Bhatia.

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