專利名稱：一種軌道交通噪聲仿真預測方法
技術領域：
本發明涉及一種基于輪軌高頻振動非線性接觸模型的軌道交通噪聲仿真預測方
法，適用于鐵路干線、客運專線、城際軌道和城市軌道交通的環境噪聲評估和預測，屬于軌道交通振動與噪聲領域。
背景技術：
隨著我國鐵路與城市軌道交通的發展，鐵路列車的速度越來越高，由此而帶來的環境問題日益突出，國外高速鐵路的運行經驗表明，高速列車的環境問題是高速化鐵路最難解決的三大問題之一，其它兩個問題分別安全性和舒適性問題，而噪聲問題則是高速列車環境污染問題中最突出的問題，因此有效地減少和消除噪聲，是高速鐵路設計和建設中迫切需要考慮與解決的問題，也是關系到鐵路能否發揮高效運能的關鍵。世界第一條高速鐵路日本新干線的振動及噪聲曾受到公眾的強烈反對，因而在其投入運行后采取了一系列措施進行補救，法國TGV列車由于運行噪聲，沿線居民提出強烈反對，因而不得不面臨在一些區段限速的局面，美國在高速鐵路的規劃中同樣碰到了這一類問題。在當今人們環保意識日益增強的時代，如何降低高速列車運行時的噪聲是高速鐵路發展過程中無法回避的問題。 鐵路在工程設計和建設階段就合理地解決鐵路交通的噪聲問題。因此，在修建高速鐵路之前，進行預估鐵路噪聲和進行噪聲控制的工程設計是很有必要的。預估鐵路噪聲通常有兩種方法一是理論計算，二是現場實測。對于既有線路，用實測方法有效可行，但對于新線，則必須通過理論計算來預測列車噪聲的強度，進而了解我國高速鐵路輻射噪聲的特性，掌握我國列車運行輻射噪聲源的規律，為有關部門以及設計院提供聲學基礎數據。軌道交通噪聲通常由車輪鋼軌振動產生的噪聲、橋梁結構物噪聲、集電系統噪聲和空氣動力噪聲組成。
發明內容
本發明的目的是提出一種基于輪軌高頻振動非線性接觸模型的軌道交通噪聲仿真預測方法。 本發明通過對輪軌不平順、機車車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重等數據的采集，輸入機車_軌道和車輛_軌道高頻振動非線性接觸模型中去，計算輪軌動態作用力，再通過建立車輪和軌道的三維有限元模型，計算輪軌動態作用力下車輪和鋼軌的各自的高頻振動速度響應，根據車輪和鋼軌高頻振動速度響應，分別得到車輪與軌道的噪聲，再利用振動噪聲輻射理論來預測輪軌噪聲。 本發明目的通過以下技術方案來實現當列車速度低于250km/h時，軌道交通噪聲主要以車輪鋼軌振動產生的噪聲為主，從車輪鋼軌振動噪聲產生的機理出發，通過建立輪軌高頻振動非線性接觸模型，研究車輪和鋼軌在輪軌不平順作用下的高頻振動特性，根據車輪和鋼軌高頻振動響應，利用振動噪聲輻射理論來預測輪軌噪聲。
本發明的軌道交通輪軌噪聲預測方法包括如下步驟 (1)選擇軌道交通輪軌噪聲預測參數。主要選擇輪軌不平順、機車車輛類型、軌道 類型、行車速度、軸重等為軌道交通輪軌振動及噪聲預測參數； (2)對機車和車輛分別建立機車_軌道和車輛_軌道高頻振動非線性接觸模型。
輪軌系統振動模型是車輪軌動力學的分析基礎，也是研究輪軌系統垂向動態相互 作用的理論工具，更是計算輪軌噪聲的必要基礎。本發明采用整車附有二系彈簧車輛-軌 道藕合系統，軌道采用三層離散點支承模型，充分反映鋼軌_墊層_軌枕_道床_體系功能 及其相互作用，其中鋼軌被看作為連續彈性等間隔離散點支承上的無限長Timoshenko梁， 考慮了鋼軌的旋轉與剪切對輪軌動態響應的影響，車輛或機車采用附有二系彈簧系統的整 車模型，車體和轉向架考慮沉浮振動和點頭振動，輪軌之間的接觸采用非線性彈性接觸模型。 (3)根據輪軌高頻振動非線性接觸模型計算輪軌作用力。 根據(1)選擇的輪軌不平順、機車車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重等軌道交 通輪軌振動參數，輸入到(2)所建立的機車-軌道和車輛-軌道高頻振動非線性接觸模型 中，計算輪軌動態作用力。 (4)分別建立車輪和軌道的三維有限元模型，計算輪軌作用力下車輪和軌道的高 頻振動響應。 1)要求解列車輪對和軌道在輪軌作用力下的輻射噪聲，必須要先解出列車輪對和 軌道的動態響應。本發明采用有限元法建立列車輪對和軌道的模型，并且用其對列車輪對 和軌道進行頻率響應的分析。 2)由輪對表面粗糙度激勵引起的振動向上傳遞時，由于減振彈簧的作用，高頻振 動成分極大的削弱。因此輪對系統高頻振動分析時，激勵點以上部分的模型只保留輪對，忽 略簧上部分結構振動的影響，本發明研究的輪對由車輪和軸組成，其中車輪由踏面、輪緣、 輪輛、輻板、輪毅、輪箍、輪心等部分組成，在本發明的計算中采用三維實體8結點單元來模 擬。 3)實際軌道系統是一無限長結構，當軌道系統上有一作用力時，由于軌道系統阻
尼的作用，該作用力的影響只局限在有限長度。本發明在滿足工程精度的情況下，根據實際
軌道結構建立三維實體有限元模型，軌道包括鋼軌、軌下墊層、軌枕和道床。
(5)將車輪聲輻射視為一系列沿軌道方向的簡單點聲源的疊加，而鋼軌等則被視
為一有限長通過受聲點的線聲源，把輪軌作用力下車輪和鋼軌的高頻振動響應作為條件，
根據結構振動發射的聲功率和結構表面振動的均方速度關系，計算出車輪和鋼軌振動輻射
噪聲，最后疊加得到輪軌噪聲。 本發明是從車輪鋼軌振動噪聲產生的機理出發，研究輪軌高頻振動非線性接觸模 型在該輪軌表面不平順激勵源作用下，引起的輪軌高頻振動特性，根據振動噪聲輻射理論 來預測車輪鋼軌振動產生的噪聲。與現有的軌道交通噪聲技術相比，一是由車輪鋼軌振動 噪聲產生的機理出發來預測噪聲，二是采用了輪軌高頻振動非線性接觸模型，該模型不但 細化了車輪和鋼軌模型，而且考慮輪軌接觸非線性，能更好的模擬高頻激勵下的輪軌振動 特性，預測的輪軌噪聲準確度更高。可以利用該發明來了解輪軌各主要參數對噪聲產生所 起作用的大小，并可使用該方法進行輪軌參數修改，以達到降低噪聲的目的，使輪軌噪聲控
4制由被動變為主動。
圖1為軌道交通噪聲仿真預測流程圖。 圖2為機車_軌道和車輛_軌道高頻振動非線性接觸模型。Kxl，Kyl為軌下墊層的 支承彈性系數，Cxl， Cyl為阻尼系數；Ky2為枕下道床的支承彈性系數，Cy2阻尼系數；Ky3為道 碴下路基的支承彈性系數，Cy3為阻尼系數；Mc、Jc為車體質量與轉動慣量；Mt、Jt為單位長 度軌枕質量與轉動慣量；Mwi(i = 1，2，3，4……)為第i個車輪的質量；l為輪軌間赫茲接觸 剛度；Csl、Cs2為車輛一、二系懸掛阻尼；Ksl、Ks2為車輛一、二系懸掛剛度；V。為車體沉浮振動 的豎向位移；Vtl為第1個轉向架沉浮振動的豎向位移；Vwl為第1個車輪的豎向位移。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。
實施例。 在本實施中，基于輪軌高頻振動非線性接觸模型的軌道交通噪聲仿真預測方法流 程圖如圖1所示。首先采集軌道交通噪聲仿真預測參數，并輸入到所建立的機車_軌道和 車輛-軌道高頻振動非線性接觸模型(如圖2所示)中去，計算輪軌動態作用力，再通過建 立車輪和軌道的三維有限元模型，計算輪軌動態作用力下車輪和鋼軌的高頻振動響應，根 據車輪和鋼軌高頻振動響應，利用振動噪聲輻射理論來預測輪軌噪聲。
下面給出本發明方法對軌道交通噪聲仿真預測的具體過程。 (1)選擇軌道交通噪聲仿真預測參數。主要選擇的參數為輪軌不平順、機車類型、 車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重。 (2)建立如圖2所示的機車_軌道和車輛_軌道高頻振動非線性接觸模型。軌道 采用三層離散點支承模型，鋼軌被視為連續彈性等間隔離散點支承上的無限長Timoshenko 梁，軌下墊層的支承彈性及阻尼分別用等效彈性系數K^ Kyl和阻尼系數C^， Cyl表示；枕下 道床的支承彈性系數和阻尼系數分別用Ky2和Cy2表示；道碴下路基的支承彈性系數和阻尼 系數分別用Ky3和Cy3表示；車機和車輛采用附有二系彈簧系統的整車模型，車體和轉向架 考慮沉浮振動和點頭振動。輪軌之間的接觸采用赫茲非線性彈性接觸模型。
(3)根據(1)選擇的輪軌不平順、機車車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重等軌道 交通輪軌振動參數，輸入到(2)所建立的機車-軌道和車輛-軌道高頻振動非線性接觸模 型中，計算輪軌動態作用力。 (4)軌道和車輪的三維有限元模型的建立。軌道結構建立三維實體有限元模型，軌 道包括鋼軌、軌下墊層、軌枕和道床。其中，鋼軌利用三維實體單元S0LID45來模擬鋼軌，軌 枕采用7個耦合在一起的質量單元mass21模擬；在鋼軌與軌枕之間采用7個彈簧阻尼單元 C0MBIN14連接，模擬軌下膠墊的彈性與阻尼，軌枕下部也是7個彈簧阻尼單元，模擬道床的 彈性與阻尼，選取20跨軌道模型。車輪由踏面、輪緣、輪輛、輻板、輪毅、輪箍、輪心組成，在 本實施例的計算中車輪采用三維實體8結點單元來模擬。 (5)將計算出來的輪軌動態作用力作為激勵分別作用到軌道和車輪的三維有限元 模型中，可以分別獲得鋼軌和車輪在輪軌力作用下的高頻振動速度響應。
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(6)將車輪聲輻射視為一系列沿軌道方向的簡單點聲源的疊加，而鋼軌等則視為 一有限長通過受聲點的線聲源，利用結構振動發射的聲功率和結構表面振動的均方速度關 系，根據鋼軌和車輪在輪軌力作用下的速度響應，分別計算出車輪和鋼軌軌振動輻射噪聲， 最后疊加得到輪軌噪聲。
權利要求
一種軌道交通噪聲仿真預測方法，其特征是(1)選擇軌道交通輪軌噪聲預測參數，包括輪軌不平順、機車車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重；(2)建立機車-軌道和車輛-軌道高頻振動非線性接觸模型；(3)將所選擇的參數輸入到(2)所建立的模型中，計算輪軌動態作用力；(4)分別建立車輪和軌道的三維有限元模型，并將(3)的計算結果輸入所建立的模型中，分別計算出車輪和鋼軌的高頻振動響應；(5)將(4)的計算結果作為條件，根據結構振動發射的聲功率和結構表面振動的均方速度關系，分別計算出車輪和鋼軌振動輻射噪聲，最后疊加得到輪軌噪聲。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的建立機車_軌道和車輛_軌道高頻振動非線性接觸模型，整車附有二系彈簧車輛一軌道藕合系統，軌道采用三層離散點支承模型，其中鋼軌設為連續彈性等間隔離散點支承上的無限長Timoshenko梁，車輛或機車采用附有二系彈簧系統的整車模型，車體和轉向架考慮沉浮振動和點頭振動，輪軌之間的接觸采用非線性彈性接觸模型。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的車輪的三維有限元模型，其中輪對由車輪和軸組成，車輪包括踏面、輪緣、輪輛、輻板、輪毅、輪箍、輪心，并采用三維實體8結點單元來模擬。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的軌道的三維有限元模型為三維實體有限元模型，包括鋼軌、軌下墊層、軌枕和道床，其中，鋼軌利用三維實體單元S0LID45來模擬鋼軌，軌枕采用7個耦合在一起的質量單元mass21模擬；在鋼軌與軌枕之間采用7個彈簧阻尼單元C0MBIN14連接，模擬軌下膠墊的彈性與阻尼，軌枕下部也是7個彈簧阻尼單元，模擬道床的彈性與阻尼，選取20跨軌道模型。
全文摘要
一種軌道交通噪聲仿真預測方法，其特征是選擇輪軌不平順、機車車輛類型、軌道類型、行車速度、軸重作為預測參數；建立機車-軌道和車輛-軌道高頻振動非線性接觸模型；并將所選擇的參數輸入到模型中，計算輪軌動態作用力；分別建立車輪和軌道的三維有限元模型，并將輪軌動態作用力輸入模型中，分別計算出車輪和鋼軌的高頻振動響應，然后計算結果作為條件，根據結構振動發射的聲功率和結構表面振動的均方速度關系，分別計算出車輪和鋼軌振動輻射噪聲，最后疊加得到輪軌噪聲。本發明由車輪鋼軌振動噪聲產生的機理出發預測噪聲，同時不但細化了車輪和鋼軌模型，而且考慮輪軌接觸非線性，更好地模擬了高頻激勵下的輪軌振動特性，預測準確度更高。
文檔編號G06F17/50GK101697175SQ20091018632
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月26日 優先權日2009年10月26日
發明者劉林芽, 劉海龍, 雷曉燕 申請人:華東交通大學;