（机械工程专业论文）高速列车头车轮轨激励噪声预测及贡献度分析.pdf

b ：_ ： 原创性声明 l i l l l l l l l l 1 1 l l l f l l i | f l f l | i | i f f l i l i y 1719 9 9 5 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 嗍珥年砌巫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名弛翩签噼吼哗年堡月旦日 j 、 、l ，。、 r 摘要 高速列车过量的噪声将严重影响乘客和轨道沿线人们的心理、生理和正常的 生活，噪声污染成了制约高速铁路发展的一个瓶颈，控制高速铁路噪声也就自然 成了实现铁路可持续协调发展的必然要求。论文以控制轮轨激励下高速列车的车 内噪声为目标，对轮轨激励下高速列车的噪声进行了系统研究。 通过将车体、构架、轮对模化为多刚体系统，钢轨处理成由有限间隔的离散 轨枕支承的无限长t i m o s h e n k o 梁，建立了高速列车头车一轨道耦合动力学模型， 以轮轨不平顺作为激扰谱，计算了整车的振动响应，获取了二系空气弹簧与车体 接触处在三维空间内的振动载荷，结果表明：轨道不平顺在垂向和横向引起的激 励载荷幅值较大，而在纵向引起的激励载荷幅值较少。 建立了高速列车车身结构的有限元模型、司机室及乘客室的声学边界元模 型，计算出了由轨道不平顺引起的乘客室及司机室的室内、室外噪声分布规律， 探明了乘客室、司机室各面板对室内、外噪声的影响情况，得出了如下结论：司 机室内的a 声级在6 4 6 7 1 6 d b a 之间变化，司机室外的a 声压级在4 5 7 5 7 8 d b a 变化。乘客室内的a 声级在6 1 9 , - - , 6 9 6 d b a 之间变化，乘客室外的a 声压 级在4 5 1 - - - 5 6 8 d b a 之间变化；司机室、乘客室内a 声级较大的场点在4 0 h z 、 2 0 0 h z 频率处的声压级较大；在激励频率4 0 h z 时，司机室底板对主驾驶员右耳 处噪声的贡献最大，声学贡献系数为4 7 3 ，车底第三块板对乘客室内a 声级最 大的场点e ( 距走行轨中心线0 5 m ，车底0 0 5 m ，车头鼻锥处1 8 8 m ) 噪声的贡 献最大，声学贡献系数为4 2 4 。在激励频率2 0 0 h z 时，司机室右侧墙对驾驶 员右耳处噪声的贡献最大，声学贡献系数为5 1 8 。右侧墙第三块板对e 点噪声 的贡献最大，声学贡献系数为4 0 9 。要降低驾驶员右耳处或乘客室内的最大噪 声，必须对总声级起决定作用的频率段( 4 0 h z 、2 0 0 h z ) 采取措施。针对4 0 h z 的低频噪声，最好在声学贡献最大的面板上采取阻尼降噪措施；针对2 0 0 h z 的 中频噪声，则宜在声学贡献最大的面板上敷设一层在该频率上吸声性能好的吸声 材料。 关键词高速列车；轮轨激励；车内噪声；声学贡献度 a b s t r a c t t h ee x c e s s i v en o i s eo fh i g hs p e e dt r a i nw i l la f f e c ts e r i o u s l yt h ep s y c h o l o g y , p h y s i o l o g ya n dn o r m a ll i f eo fp a s s e n g e ra n dp e o p l en e a rt h er a i l w a y , n o i s ep o l l u t i o n h a sb e c o m eab o t t l e n e c ko fr e s t r i c t i n gh i g hs p e e dr a i l w a yd e v e l o p m e n t ，i ti si n e v i t a b l e d e m a n dt oc o n t r o lh i g hs p e e dr a i l w a yn o i s ef o rt h ec o n t i n u o u sa n dh a r m o n i o u s d e v e l o p m e n to fr a i l w a y t a k i n gt h ec o n t r o lo ft h ei n n e rt r a i nn o i s ee x c i t e db yt r a c ka s t h eg o a l ，s y s t e m a t i ca n dt h o r o u g hr e s e a r c h e so ft r a i nn o i s ee x c i t e db yt r a c kw e r e c a r r i e do u t t a k e nt r a i nh e a dc a r r i a g e ，b o g i e sa n dw h e e ls e t sa sr i g i do n e s ，r a i li sh a n d l e da s i n f i n i t e l o n gt i m o s h e n k ob e a ms u p p o r t e db yd i s p e r s e ds l e e p e r s ，t h ec o u p l i n g d y n a m i c sm o d e l o fv e h i c l e - t r a c ko fs u b w a yh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ev e h i c l e v i b r a t i o nh a sb e e nc a l c u l a t e dc a u s e db yt r a c ki r r e g u l a r i t i e s ，a n dt h r e ed i m e n s i o n a l s p a t i a lv i b r a t i o nl o a d sh a v eb e e no b t a i n e da tc o n t a c tp o i n t sb e t w e e ns e c o n d a r ya i r s p r i n ga n dc a rb o d y t h ec o n c l u s i o n sh a v eb e e nr e a c h e da sf o l l o w s ：t h ev e r t i c a la n d l a t e r a lv i b r a t i o na m p l i t u d e sa r eg r e a t e r , a n dt h el o n g i t u d i n a lo n e sa r el e s s as e r i e so fm o d e l s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft r a i nh e a d ，t h ea c o u s t i c a l b o u n d a r ye l e m e n tm o d e lo fc a ba n dp a s s e n g e rr o o mo fh i g hs p e e dt r a i n ，h a v eb e e n e s t a b l i s h e d t h ei n t e r n a la n de x t e r n a ln o i s e so fc a ba n dp a s s e n g e rr o o mc a u s e db y t r a c ki r r e g u l a r i t i e sh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r so ft h ei n t e r n a l a n de x t e r n a ln o i s eo fc a ba n dp a s s e n g e rr o o mh a v eb e e na s c e r t a i n e da n dr e a c h e dt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：t h en o i s ei nc a bc h a n g e si nt h er a n g eo f6 4 6 - - 。7 1 6d b a ， o u t s i d ec a bi nt h er a n g eo f 4 5 7 - 5 7 8d b a ，i np a s s e n g e rr o o mi nt h er a n g eo f6 1 9 6 9 6d b a o u t s i d ep a s s e n g e rr o o mi nt h er a n g eo f4 5 1 - 5 6 8d b a a tt h ef r e q u e n c y o f4 0h za n d2 0 0h z ，t h es o u n dp r e s s u r el e v e l si nc a ba n dp a s s e n g e rr o o ma r eg r e a t e r a tf r e q u e n c y4 0h z ，t h en o i s ec o n t r i b u t i o no ft h ec a bb a s ep a n e li st h eb i g g e s tf o rt h e r i g h te a rn o i s eo fm a i nd r i v e r , w h o s ea c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ti s4 7 3 t h e n o i s ec o n t r i b u t i o no ft h e3 t hb a s ep a n e lo fp a s s e n g e rr o o mi st h eb i g g e s tf o rf i e l d p o i n te w h o s ea c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ti s4 2 4 f i e l dp o i n te i s0 5m a w a yf r o mr a i lc e n t r a ll i n e ，0 0 5ma w a yf r o mv e h i c l eb a s e ，18 8ma w a yf r o mt r a i n h e a dt i p a tf r e q u e n c y2 0 0h z ，t h en o i s ec o n t r i b u t i o no ft h er i g h ts i d ep a n e lo fc a bi s t h eb i g g e s tf o rt h er i g h te a rn o i s eo fm a i nd r i v e r , w h o s ea c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o n c o e f f i c i e n ti s51 8 t h en o i s ec o n t r i b u t i o no ft h e3 t hr i g h ts i d ep a n e lo f p a s s e n g e r i i r o o mi st h eb i g g e s tf o rf i e l d p o i n te ，w h o s ea c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o nc o e f f i c i e n ti s 4 0 9 t or e d u c et h eb i g g e s tn o i s ei nt h ec a bo rp a s s e n g e rr o o m m e a s u r em u s tb e a d o p t e da tf r e q u e n c y4 0h za n d2 0 0h z ，w h i c ha r et h ed e c i s i v ef r e q u e n c i e s a tl o w f r e q u e n c yo f4 0h z ，i ti sb e t t e rt oc o a tw i t hv i s c o e l a s t i cl a y e ro nt h ep a n e lw i t ht h e b i g g e s ta c o u s t i c a lc o n t r i b u t i o n ；a tl o wf r e q u e n c yo f2 0 0h z ，i tw i l lm o r es u i t a b l et o l a yg o o ds o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a lw h o s ep e r f o r m a n c ei sg o o da tf r e q u e n c y2 0 0h z k e yw o r d s ：h i g hs p e e dt r a i n ，t r a c ke x c i t e m e n t ，i n t e r i o rv e h i c l en o i s e ；a c o u s t i c a l c o n t r i b u t i o n i i i 目录 第一章绪论l 1 1 课题的研究意义1 1 2 高速列车噪声的产生原因1 1 3高速列车噪声的控制措施3 1 4 轮轨噪声预测的研究进展及缺陷4 1 5 列车车内噪声计算方法概况一5 1 6 本课题的主要研究工作及研究思路。6 1 6 1 本课题的提出6 1 6 2 本课题的主要研究工作及研究思路6 第二章高速列车车头曲面造型8 2 1高速列车车头曲面的几何表达8 2 2c a t i a 曲面造型的主要方法9 2 3高速列车头部曲面造型设计流程1 0 2 4 结论一 第三章高速列车头车的有限元模型1 2 3 1头车车身的结构描述1 2 3 2 材料参数的设定及梁结构的处理1 3 3 3 对中空铝型材的处理1 5 3 4 头车车身有限元模型的建立1 6 3 4 1头车背景网格向参数空间的映射1 7 3 4 2参数域上的网格生成17 3 4 3 参数网格向物理空间的映射1 8 3 5高速列车头车的有限元模型1 9 3 6 结论2 0 第四章高速列车轨道耦合动力学仿真2 1 4 1车辆系统的动力学理论2 l 4 2 高速列车一轨道耦合动力学仿真2 2 4 2 1 s i m p a c k 的动力学仿真环境2 2 4 2 2 高速列车头车一轨道耦合系统的动力学模型2 3 4 2 3 轨道激励2 5 4 2 4 计算结果讨论及分析2 6 i v 4 3结论2 8 第五章轮轨激励下头车司机室的声学响应分析2 9 5 1声学边界元方程2 9 5 1 1 齐次的h e l m h o l t z 方程2 9 5 1 2 边界条件。3 0 5 1 3 齐次h e l m h o l t z 方程的基本解3 l 5 1 4 声场边界积分方程3 2 5 2 高速列车头车司机室声学边界元模型3 5 5 3 激励载荷3 6 5 4 高速列车头车司机室室内声学响应结果分析3 6 5 4 1声压最大点位置的确定及声级变化规律3 6 5 4 2 距地板面1 2 m 高处司机室中心线的声级变化规律3 9 5 5 高速列车头车司机室室外声学响应结果分析一4 1 5 5 1 司机室室外声压最大点位置的确定及声级变化规律4 1 5 5 2 距轨道中心线3 5 m 处司机室外噪声的变化规律4 3 5 6 高速列车头车司机室声学贡献度分析4 5 5 7 小结4 8 第六章轮轨激励下头车乘客室的声学响应分析5 0 6 1头车乘客室室内声学响应结果分析5 1 6 1 1 头车乘客室声压最大点位置的确定及声级变化规律5 1 6 1 2 距地板面1 2 m 高处乘客室中心线的声级变化规律。5 3 6 2 头车乘客室室外声学响应结果分析。5 4 6 2 1 乘客室室外声压最大点位置的确定及声级变化规律5 4 6 2 2 距轨道中心线3 5 m 处乘客室外噪声的变化规律。5 7 6 3 头车乘客室声学贡献度分析5 9 6 4 以、结6 1 第七章高速列车头车车内噪声测试一6 2 7 1测试仪器及测点布置6 2 7 2 测试结果分析6 2 7 3 本章小结6 4 研究结论。6 5 参考文献6 6 致 射7 0 攻读硕士学位期间发表的论文7 2 v 中南人学i 稗硕十论文第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 高速是交通运输现代化的重要标志。高速铁路由于具有速度高、运能大、能耗 低、污染轻、占地少和安全性好等诸多技术经济优势，受到了世界各国的普遍重视。 2 0 0 7 年4 月，我国铁路在第六次大提速之后，在繁忙的京哈、京九、京广、胶济 等6 0 0 3 公里的主要铁路干线实现了2 0 0 k m h 的运营速度，部分区段达到了 2 5 0 k m h ，首次大量丌行了城际间、中心城市间2 0 0 k m h 的高速列车列车。在国务 院批准的中长期铁路网规划中明确指出：到2 0 2 0 年，我国将初步形成北京一 上海、北京一武汉广州一深圳，北京沈阳一哈尔滨( 大连) 、杭卅i 一宁波一福 州一深圳和徐州一郑州兰州、杭州一南昌一长沙、青岛石家庄一太原、南京一 武汉一重庆一成都。四纵四横。客运专线，专线总长约1 2 5 万公罩。因此，我国 高速铁路己进入一个全面快速发展的新阶段。但随着列车运行速度的提高，铁路噪 声污染也急剧增加。过量的噪声将严重影响乘客和轨道沿线人们的心理、生理和正 常的生活，还可能引起有关设备以及周边建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命。因此， 噪声污染成了制约高速铁路发展的一个瓶颈，控制高速铁路噪声也就自然成了实现 铁路可持续协调发展的必然要求。 高速铁路噪声根据其发生源与发生机构，可以分为气动噪声、轮轨噪声、电弧 噪声、受电弓一接触导线间的滑动噪声、铁路桥梁等的振动产生的构造物噪声、机 器噪声等。其中电弧噪声、轮轨噪声、气动噪声占噪声总量的9 0 以上，因此高 速铁路减噪主要针对这三方面进行。电弧噪声是指车辆运行中因受电弓脱线而产生 的电火花声。电弧噪声的声源位置是明确的，其产生机理也很清楚，所以人们已研 究出了一些有效的降噪措施。如：缩短接触网悬挂问隔，采用微动滑板式集电弓架， 使用复合悬链式结构悬挂接触网，在车顶设置集电弓架外罩等。 1 2 高速列车噪声的产生原因 轨道交通噪声产生的主要来源有以下几方面：轮轨噪声、高架结构噪声、车辆 设备噪声、列车运行车体噪声、桥梁结构的二次噪声【1 卅。 ( 1 ) 轮轨噪声 轨道噪声辐射表现为三种形式：尖叫噪声、冲击噪声和轰鸣( 或滚动) 噪声。所 有的轮轨噪声都是由车轮和钢轨之间的相互作用产生振动，向外辐射出声波。研究 表明，尖叫噪声是当车辆通过小曲线半径时，由于车轮受转向架的约束，不能正切 中南人学i ：种硕十论文第一审绪论 于钢轨运行，也即车轴不能处于曲线的径向位置，于是引起车轮沿若钢轨滚动的同 时产生横向滑动，产生强的窄频带的尖叫声。冲击噪声是车轮通过轨缝、道岔或擦 伤的车轮在钢轨上滚动时所引起的噪声，如低( 高) 接头、车轮扁塌等都可以引起附 加的轮轨动力，激发车轮和钢轨振动造成轮轨辐射噪声。轰鸣( 或滚动) 噪声是通常 没有擦伤的车轮在连续焊接、状态良好的直线钢轨上滚动时所发生的噪声，这是由 于车轮和钢轨表面上的小面积粗糙造成的。研究表明，车轮噪声峰值约在1 - 2 k h z 范围内，属高频噪声；钢轨噪声峰值约在5 0 0 1 0 0 0 h z 范围内，属中、低频噪声； 滚动噪声峰值在5 0 0 1 0 0 0 h z 范围内，主频集中在5 0 0 h z 左右，以中、低频成分为 主；尖叫噪声的频率集中在4 - 6 k h z 高频范围内。 ( 2 ) 高架结构噪声 高架结构噪声比地面轨道交通噪声高得多。高架结构噪声不但与辆运行的速 度、车轮表面状态等有关，也与线路钢轨、道床结构以曲线半径等因素有关，还与 高架结构形式、材料、结构特点有较大关系。它辐射的噪声将影响线路沿线环境， 而且由于采用高架结构源位置提高，噪声影响范围扩大。当列车经过高架桥时，噪 声会增2 1 0d b a 。 ( 3 ) 车辆设备噪声 车辆设备噪声主要包括牵引电机噪声、齿轮箱噪声和空压机噪声。同时还伴有 空调制冷设备噪声、电气噪声、车辆运行中的空气动力噪声、鸣笛噪声、制动噪声 等。 ( 4 ) 空气动力噪声 高速列车空气动力噪声的产生要素涉及受电弓与导流罩、列车形状、车辆连接 面、通风格栅、裙板以及其它凹凸不平等诸多方面。当列车高速行驶时，在车身及 外形变化较剧烈的部位，会产生复杂的分离流动，流动中的涡流和湍流相互作用， 从而产生强大的空气脉动压力场。车外脉动压力场及其诱发的气动噪声，是形成列 车气动噪声的直接原因。t a l o t t e 7 1 指出，由于气动噪声随车速的六次方增长，而列 车轮轨噪声仅随车速的三次方增长，当列车的运行速度达3 0 0 k m h 时，气动噪声已 成为列车噪声的主要来源。对于不同的列车运行状态，综合噪声的组成也不一样。 当列车速度小于6 0 k m h 时，列车牵引电机及辅助设备噪声占主要成分；当列车速 度在6 0 , 一3 0 0 k m h 时，轮轨噪声占主要成分，当列车速度大于3 0 0 k m h 时，空气动 力噪声占主要成分，如图1 一l 所示。 2 中南大学i ：稚硕十论文第一幸绪论 主 差 登 苍 图卜1 速度与噪声之间的关系 1 3 高速列车噪声的控制措施 控制噪声应从两个方面考虑，即控制噪声源和噪声的传播途径。首先应考虑降 低噪声源，分清哪些因素是产生噪声的主要来源，针对各种不同的噪声源分析其有 效的控制措施。控制噪声源主要从以下几个方面考虑：轨道结构、车辆设备、集电 系统、高架结构及列车外形。 ( 1 ) 轮轨噪声的控制【8 。o 】：主要是控制轨道结构，例如：线路设计尽量不采用小 半径曲线，对运营的小半径曲线应加强其维修养护，定期进行钢轨涂油工作，以减 少轮轨摩擦产生的尖叫声；轨道设计采用重型轨道结构；对轨道结构采用减噪措施， 如采用普通碎石道床；全线通长铺设无缝线路能有效减少噪声；在钢轨与轨枕、轨 枕与道床之间增加弹性垫层、在轨腰处涂防噪层；定期打磨钢轨顶面，消除轨顶不 平顺；合理匹配轨道结构的垂横向刚度，提高轨道结构的吸振能力，降低振动能量 向外传播。 ( 2 ) 车辆设备产生的噪声的控制j 3 】：由机车制造厂研究解决，使之达到标准。 集电系统噪声的控制：尽量减少集电弓的数量；安装集电弓外罩；提高接触网的拉 力。高架结构的振动而辐射的噪声的控制：采用混凝土梁，尽量少用钢梁；桥梁支 座采用橡胶支座；桥上采用减振钢轨。 ( 3 ) 气动噪声的控制：采取流线型车体结构，减小车辆表面的凹凸和棱角台阶， 以降低气动噪声，是人们的经验总结，尚停留在定性认识阶段。m o d t l d h 【1 4 】阐述了 非定常流是气动噪声产生的原因，认为使列车外形流线化能有效降低高速列车的气 动噪声。k i s h i m o t o t ”】用数值方法估算了车外脉动压力的分布，并对车外声场进行 了理论分析；s a s s a 1 6 】通过实验和数值计算对车门凹凸处的产生的气动噪声进行了 研究，得出了如下结论：气动噪声的能量主要集中在中低频率上，且不同风速对应 一个不同频带，在这个频带上集中了大部分声能。1 w a m o t o f 7 】将现场实践经验和理 论分析相结合，提出了改善受电弓气动噪声的设计方案；i k e d a 1 8 9 1 将现场实践经 验和理论分析相结合，介绍了高速列车低气动噪声受电弓的设计理论和方法，提出 3 中南人学i ：杵硕十论文 镛一帚绪论 了改善受电弓气动噪声的设计方案；f r 肌i o n 【2 0 】利用低噪声风洞，研究了高速列车 转向架、车辆间隙的空气动力噪声，提出了降噪建议，f r i d t 2 1j 利用低噪声风洞，研 究了高速列车裙板及格栅对线路两边噪声的影响，并提出了改进措施。 ( 3 ) 控制噪声的传播途径：采用以下一些措施：有条件的地带，可拉大周围建 筑物与轨道之间距离；设置树障，在轨道边侧种乔木，再种灌木，一般它的隔声量 为0 3 d b a m ；设置声屏障，如北京地铁1 3 号线在离居民区较近的地段，按不同情 况设置了全封闭、半封闭和直立式声屏障，并在国内首次采用了钢弹簧减震装置； 广州地铁的轨道结构设计也根据不同地段周围环境的要求，采取了相应的减振、降 噪措施。 1 4 轮轨噪声预测的研究进展及缺陷 列车运行速度在3 0 0 k m h 以下时，轨道交通噪声主要为轮轨噪声，因此人们 在轮轨噪声的预测方面取得了丰硕的成果。r e m i n g t o n 是对轮轨滚动噪声研究较早 的学者之一，r e m i n g t o n e l 2 2 - 2 4 】从轮轨相互作用角度出发，对轮轨滚动噪声的产生机 理作了全面的阐释，建立了轮轨滚动噪声预测模型。t h o m p s o n t 3 o 】对r e m i n g t o n 的早期模型进行了发展和扩展。t h o m p s o n 指出，轮轨相互作用引起了车轮和钢轨 的振动，而钢轨通过轨下胶挚( 扣件) 将振动传给轨枕。为此，t h o m p s o n 在新的模型 中考虑了轨枕的噪声辐射。模型中将钢轨模型扩展为轨道模型，轨道模型中用 t i m o s h e n k o 梁模型取代了r e m i n g t o n 模型中的e u l e r 梁模型，从而使得钢轨的高频 成份得以更真实的反映。在欧洲铁路研究所( e r r i ) 委员会的领导下，以t h o m p s o n 改进后的模型为基础，相关研究人员开发出了一个t w i n s ( t r a c k w h e e li n t e r a c t i o n n o i s es o t t w a r e ) 的轮轨滚动噪声预测软件【3 l l ，并将改进后的模型称为t w i n s 模型。 这个软件在欧洲己成为预测轮轨噪声水平、指导新车新线的低噪声设计以及既有线 降噪改造的主要理论工具。国内学者对轮轨噪声的研究也投入了极大热情，并涌现 出了众多科研成梨3 2 。3 7 】。徐志胜【3 2 1 运用车辆一轨道耦合动力学理论、噪声辐射与传 播理论，建立了轮轨噪声预测模型，并编写了用于轮轨噪声预测的软件 s t t i n ( s i m u l a t i o no ft r a i n t r a c ki n t e r a c t i o na n dn o i s e ) ，实现了轮轨噪声的计算机预 测与评价。刘林判3 3 】在r e m i n g t o n 给出的模型基础上，建立了一个较为系统的轮轨 高频振动模型，并对我国既有线轮轨噪声进行了预测。所有这些研究成果都是以轨 枕、钢轨、车轮为研究对象，预测的是轮轨向周围环境的所辐射的噪声。实际上， 列车车厢作为一个由壁板围成的封闭腔体，壁板振动所产生的声辐射是一个重要的 噪声源。在车体密封情况良好的情况下，列车车内噪声主要是由壁板振动引起的， 不明确车体壁板振动对车内噪声的贡献，就很难采取有效措施，降低车内噪声，这 就势必使列车的乘坐舒适度大大降低。为了对北京地铁的车内噪声提出有针对性的 4 中南人学_ i - 稗硕十论文第一寺绪论 治理建议，吴莹探讨了轨道激励下北京地铁的车内噪声3 8 1 ，但对轮轨激励下高速列 车的车内噪声，除肖友刚等进行一些研究外【”, 4 0 1 ，国内外还较少涉及，因此，研究 轮轨激励下高速列车车厢壁板振动所引起噪声，并提出相应的降噪建议，具有现实 意义。 1 5 列车车内噪声计算方法概况 到目前为止，对于控制车内噪声的方法，综合起来可大致分为被动控制、主动 控制、和基于声固耦合振动分析的声场优化与边界结构的动力修改。车内声场分析 实质是研究声固耦合问题。关于声固耦合问题的研究，目前主要采用声弹性法、有 限元法、边界元法、统计能量分析法等。声弹性法要求已知刚性壁腔的声模念和真 空中的结构模态，其方法简单，但精度低，一般只用于形状简单、壁刚性较好或腔 体较深的情况。有限元法可适用于任何结构和声腔形状，但对较复杂的结构，计算 费用大。边界元法具有使分析问题降维、计算精度高( 其精度只与边界的离散有关， 与模态高低或密度无关) 、以及适应于无限域问题等优点，但不足之处主要反映在 计算工作量大、奇异积分的处理以及特征频率处解的不唯一性等。统计能量分析法 主要适用于高频宽带随机振动声场，对中低频分析时，会产生过大的误差乃至于完 全失效，这与有限元法和边界元法一般只适用于非均匀声场低频噪声的分析形成了 鲜明的对比。 自2 0 世纪5 0 年代以来，基于h e l m h o l t z 边界积分方程的结构声学边界元法被 广泛用来分析无界声场中结构体声辐射【4 卜4 7 1 ，它将所分析的问题降低一维，大大减 少了计算工作量。该方法自动满足无限远处边界条件，通过对振动体边界表面用线 性三角形单元离散、插值( 如三次b 样条函数插值) 、数值积分等的处理，计算振动 体辐射声场中的声场参数。 其有直接法和间接法两类：直接法直接以结构表面的声压和法向振速为边界 量，适用于具有封闭表面结构的声辐射和声散射计算；间接法以结构表面的声压差 和速度差为边界量，适用于表面不封闭结构的声辐射和声散射计算。间接的边界元 方法( i b e m ) 虽没有被广泛的应用，但它不失为一种好方法，因为表面的双层势( 边 界表面两侧的声压差) 和单层势( 声压梯度的差) 函数恰好反映了结构表面的实际物 理量，且还可以同时计算被薄壁结构分离的两侧声域。 边界元法在计算声学外问题时存在的主要问题是：解的不唯一性和奇异性。解 的不唯一性是指用边界元法计算声学外问题时，在对应内问题的某些特征频率下数 值不唯一。处理不唯一性的方法有多种：最著名的两种方法是由s c h e n c k 提出的只适 用于较低激励频率的组合h e l m h o l t z 积分方程式和由b u r t o n 等构造的对任意激励频 率都适合的复合h e l m h o l t z 积分方程式。在后者的基础上，结合正则化关系式，可 5 中南人2 i ：种硕十论文第一章绪论 解决超奇异数值积分问题f 4 8 】。奇异积分的处理还可以通过构造一系列特解源来间接 地计算边界元法中的系数矩阵，即边界元方法中的全特解场方法( 又叫边界点 法) 【4 9 捌】，该方法极大地提高了近边界声场的计算精度和数值稳定性。 1 6 本课题的主要研究工作及研究思路 1 6 1 本课题的提出 针对目前部分动车组噪声污染超标，而现有的降噪措施不理想这一问题，南车 四方机车车辆股份有限公司决定立项对“动车组噪声控制关键技术进行研究，本 课题就取材于该研究的部分内容。本课题运用有限元、边界元等现代设计方法对轮 轨激励下高速列车的车内噪声进行分析预测，对其影响因素和控制措施进行研究， 为该车低噪声设计提供理论支持，为改善车内声学品质提供依据。 目前，对轮轨激励下引起的车厢壁板振动所辐射的噪声，通过各种途径都没有 查阅到相关文献。因此丌展轮轨激励下车厢壁板辐射噪声的研究，对提升我国高速 列车的运行性能，提高乘坐舒适性，实现车辆工程学、声学等多学科的融合，具有 重要的意义。 1 6 2 本课题的主要研究工作及研究思路 针对制约列车可持续发展的轮轨激励下的车内噪声问题，借助声学、车辆工程 学的相关理论和方法，通过理论分析、数值计算，深入研究轮轨激励下车内噪声的 产生原因，得出轮轨激励下车内噪声的预测方法，为降低轮轨激励下的车内噪声提 供可实施的方案。具体研究工作及研究思路如下： ( 1 ) 高速列车车一轨道耦合振动分析 轮轨系统的振动是车内噪声的重要来源，是车体内部声场仿真计算的重要边 界条件。为此，需要将车体、构架、轮对模化为多刚体系统，进行动力学响应分 析。通过将钢轨处理成由有限间隔的离散轨枕支承的无限长t i m o s h e n k o 梁，车辆 结构部件之间视为弹簧阻尼元件连接，建立列车一轨道耦合振动模型。以轮轨不 平顺作为激扰谱，应用振动分析软件s i m p a c k 计算整车的振动响应，并提取列车 特定位置在三维空间内的振动载荷数据。 ( 2 ) 高速列车声一结构耦合系统的声学响应分析 利用声学分析软件s y s n o i s e ，建立高速列车声一结构耦合振动的有限元模型， 6 中南人学i ：稗硕十论文第一章绪论 进行声学模念分析，得到车体的各阶声模态。然后将有限元模型处理成边界元模型， 并将车体表面位移响应作为噪声计算的速度边界条件，再利用边界元技术对车体噪 声特性进行分析，进而得出高速列车的声学特性受车体的影响程度，为在设计阶段 优化车辆壳体结构，以及尽可能降低车内噪声提供理论依据。 ( 3 ) 高速列车的声学贡献度分析 对车内声场点进行声学贡献度分析，得出声学子系统( 车顶板、车底板、车 侧板、车门、车窗、车内空腔等) 对车内总噪声的贡献度。对贡献度大的声学子 系统提出有效处理措施，以尽可能降低噪声。 7 中南人学硕十学付论文第：章高速列乍车头曲而造犁 第二章高速列车车头曲面造型 曲面造型是c a d c a m 、计算机仿真、计算机可视化等众多领域的一项重要内 容。曲面造型现在已形成了以非均匀有理b 样条州爪b s ) 曲面参数化特征设计， 及隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的 几何理论体系。高速列车头部由一系列复杂的空间曲面构成，这些曲面是由不同曲 率的空间曲面相互连接而成，这种连接既要满足零件功能、结构的要求，又要光滑 过渡，达到平顺、和谐的效果。c a t i a 具有强大的曲面造型能力，具备完美和友 好的操作界面，及v g x 和c n e x t 等多种先进技术。使用c a t i a 软件的曲面造 型技术，可为高速列车流线型头部的造型提供完整的工程解决方案。精确定义高速 列车车头曲面的几何形状，然后在车头曲面上生成适当的网格，是对高速列车进行 有限元及边界元分析的前提。 2 1高速列车车头曲面的几何表达 高速列车头部形状主要通过外形控制参数与主控制型线来实现，控制参数包 括流线型头部长度、宽度、高度、倾斜度等；主控制型线包括纵向对称面最大控制 型线、俯视最大控制型线和车体截面外廓型线。 在描述列车头部足控制型线时，用三次n u r b s 方法，其数学表达式如下： 0 9 ，e n , ，( “) ，( “) = 幽一 ( 2 1 ) 国形 式中：k ( 扛1 , 2 ，m ) 为控制节点；缈，为控制点k 权因子；f ， ) 是由节点矢量u = 阻o ，u i ，u m + 1 决定的3 次规范b 样条基函数，采用d eb o o r - c o x ：i 差推公式进行定 义： l ，。c “，2 ：) u e i ，s e “f s = 【p ，g 】tj = 阻，v 】t ，如图3 - 8 所示。 在背景网格映射到参数网格的过程中，需对物理空间内的弧长参数在背景网格 的两网格线方向分别进行单位化处理，即：对物理空间中的任一节点尺，沿背景 网格线计算出r 。，到r “的弧长0 尺f - r 。，川，沿另一条背景网格线计算出r 加到 r “的弧长慷，一尺圳。然后利用式( 3 1 ) 进行单位化处理，得到相对弧长参数空 间的相对弧长参数变量： u i , j = 慨，一r 巾心_ r ，川 ，、 1 ，“= 慨，一尺i ol i l i r i 一g i , o i 式中，f = 1 ，m ；j = 1 ，n ，m ，n 分别为u 和v y y 向的最大的网格数。 0l “ 图3 8背景网格向弧长参数空间映射 3 4 2 参数域上的网格生成 根据背景网格的相关信息，如网格间距、稀密、网格线条数等，在参数空间上 确定表面网格的边界。通过a p s 变换得到背景网格在参数空间内的二维变换网格 1 7 中南人导：l 羊i f ! 硕十论文第币鬲述例下头下的了j 限兀1 ：5 掣 后，即可对其边界进行重新布点，然后使用二维网格生成技术，生成二维参数网格 ( u ，。，v ，。) 。 弧长参数空间s = p ，g 】t 中的节点( p i , jq ) ，对应的四个边界点为( 0 ，q o j ) ， ( p m ”q m , j ) ，( p f o ，o ) ，( p i , nq 盯，) ，在相对弧长参数空间对应的边界点坐标是 ( 0 ，v o ，) ，( 1 ，1 ，。，) ，( 甜加，o ) ，( “u ，1 ) ，利用这些边界点进行线性插值，可得相对弧 长参数空间的表面节点坐标( “，1 ，i j ) 的计算公式： u i ，j = ( 1 一，j ，) “j ，o + 1 ，i ，j “i ，1 ( 气，、 u 20 一u i ) ，+ “f ，v l ， 对上述方程组进行迭代求解，就得到相对弧长参数空间的节点坐标( “，v ) 。 3 4 3 参数网格向物理空间的映射 得到相对弧长参数空间内的参数网格u ，v ；，后，还需把该网格向物理空间映 射，如图3 - 9 所示，以得到物理空间内的表面网格( 葺，y u ，z “) 。该过程如下： 相对弧长参数空间中四个角点的坐标是( o ，o ) ，( 0 ，1 ) ，( 1 ，o ) ，( 1 ，1 ) ，对点( “，v ) ， 对应的四个边界点坐标是( “f o ，o ) ，( u i i1 ) ，( o ，v 。，) ，( 1 ，y u ) ，将这些角点和边界 点在物理空间中对应的坐标向量记为r o 0 ，r o ”r l o ，r l l ，r ，r f l ，r o j , r u ，可以得到 ( u i , jv ) 点映射到物理空间中的坐标向量r “ 以f ，代表参数空间的坐标， x ，y ，z 代表物理空间的坐标，以尺代表物理空间 的坐标向量，r = ( x ，y ，z ) ，则物理空间坐标为 r i 。，= ( 1 一u i ,