Evaluation of novel and established methods used in complex vibro­-acoustic analysis

Abstract

Sistemas vibroacústicos complexos contemplam grande parte dos designs de engenharia em várias areas de produção e transporte industriais e tecnológicas nos dias atuais, e certamente em atividades futuras que permearão nossa sociedade. Tais sistemas são compostos de diversos componentes físicos com diferentes níveis de complexidade e geometria irregular. Para compreender e controlar o ruído e vibração desses sistemas complexos, múltiplas estruturas analíticas e numéricas foram desenvolvidas para simula-las e analisa-las. Este trabalho aparesenta uma visão global com comparações e análises para alguns destes procedimentos consagrados de modelagem e incrementa a discussão com uma estrutura numérica nova adicional para problemas de média e alta frequência, com o objetivo de realçar competências e desvantagens específicas de cada método, orientando aonde cada um é mais indicado para uso. Os métodos consagrados apresentados são: Método de Elementos Finitos (FEM), o qual é a referência principal da dissertação, Análise Estatística Energética (SEA) para problemas de alta frequência, e o método Híbrido FE-SEA para interações de média frequência. O método novo é uma estrutura genérica de fluxo de potência, baseado na relação de reciprocidade de campo difuso, permitindo que os subsistemas estatísticos sejam modelados diretamente de modelos de elementos finitos tradicionais ou periódicos. Isto abre a oportunidade para analisar estruturas complexas, e apresenta um potente competidor para SEA e Híbrido FE-SEA para, respectivamente, problemas de média e alta frequência. Os métodos e estruturas foram analisados em alguns casos numéricos, nos quais, em cada caso, suas competências e robustês foram exploradas. A abordagem de Monte Carlo com Método de Elementos Finitos foi utilizada para representar a solução de referência. Resultados exibiram seus distintos custos de processamento computacional e quantidade de informação considerada nas soluções. A nova estrutura demonstrou quando flexibilidade e resultados robustos em comparação com métodos consagrados de análise de sistemas vibroacústicos em ambos problemas de média e alta frequência, demonstrando grande potêncial para futuras aplicações.

Abstract: Complex vibro-acoustic systems contemplate most of the engineering designs in several important industrial and technological areas of production and transportation at present days, and certainly will be on future activities permeating society. Such systems are composed of diverse physical components with different degrees of dynamic complexity and irregular geometries. To understand and control the noise and vibration from these complex systems, multiple analytical and numerical frameworks were developed to model and analyze them. The present work presents an overview with comparisons and evaluations for some of these established modelling methods and increments the discussion with an additional novel numerical framework to mid and high frequency problems, with the aim of highlighting specific features and limitations for each method, clarifying where each one is most suitable for use. The established frameworks and methods presented are: Finite Element Method (FEM), which is the main reference result of the paper; Statistical Energy Analysis (SEA) for high frequency problems; and the Hybrid FE-SEA Method for mid frequency interactions. The novel procedure is a general power flow framework, based on the diffuse field reciprocity relationship, allowing statistical subsystems being modeled directly from either standard or periodic FE models. This opens the opportunity to analyze complex structures at mid and high frequencies with increased precision and lower computational expenses, and presents a powerful competitor to SEA and Hybrid FE-SEA in, respectively, mid and high frequency problems. The methods and frameworks were evaluated in multiple numerical examples, in which, in each case, their modelling capabilities and reliability were explored. A FE Monte Carlo approach was used to represent the reference solutions. Results exhibited their distinct computational processing costs and detail amount considered on solutions. The novel framework showed great flexibility and reliable results in comparison to the established Vibro-acoustic analysis procedures for both mid and high frequency problems, exhibiting great potential for future applications.