基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通振動噪聲仿真預測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預測方法，具體為：綜合考慮高架軌道交通中頻段（200~1000Hz）的橋梁噪聲和鋼軌噪聲；相比僅考慮鋼軌噪聲或橋梁噪聲的方法，噪聲預測精度高。該方法首先建立軌道-橋梁系統功率流模型，計算不同頻率的單位簡諧力作用在鋼軌上時輸入橋梁的功率和鋼軌的振動速度；然后，結合輪軌組合粗糙度譜，計算車輪-軌道-橋梁耦合系統下的輪軌接觸力譜，進而得到隨機輪軌力作用下橋梁和鋼軌的振動狀態；其后，分別建立橋梁和鋼軌聲輻射二維有限元-邊界元弱耦合模型，計算它們在不同頻率單位簡諧力作用下的振動功率和輻射聲場；最后，根據功率流方法獲得的實際振動功率和有限元-邊界元模型獲得的振動功率，按振動功率一致的原則，對單位力作用下的場點聲壓進行縮放，得到橋梁噪聲、鋼軌噪聲及它們的總噪聲。
【專利說明】基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通振動噪聲仿真預測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于功率流振動計算模型和邊界元聲輻射計算模型的高架軌道交通橋梁和軌道噪聲綜合仿真預測方法，可應用與城市軌道交通高架橋梁結構和軌道結構的設計與聲環境評估，屬于軌道交通振動與噪聲領域。
【背景技術】
[0002]隨著城市化進程的持續推進和經濟的快速發展，城市公共交通面臨的壓力日益增大。集經濟、環保、節能、高效和安全于一體的軌道交通，是我國人口密集城市交通建設的最佳選擇。軌道交通高架線建設周期短、費用低，運營后維護便利，成為郊區線路的優先考慮形式。但高架線路的噪聲污染重于地下線，已成為制約其發展的重要因素。
[0003]軌道交通噪聲包括輪軌噪聲、集電系統噪聲、空氣動力噪聲和橋梁結構噪聲。對于中低頻噪聲，人們通常僅研究軌道噪聲，或者僅研究橋梁噪聲。實際上，在中低頻噪聲中，軌道噪聲和橋梁噪聲均占重要地位，因此，采用統一的方法對軌道噪聲和橋梁噪聲進行準確、高效地預測至關重要，有效的預測方法也為有針對性的采取減振降噪措施提供依據。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提出一種基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預測方法，以實現計算橋梁和軌道在中頻區段的輻射噪聲，提高計算精度，適用于不同橋梁和軌道結構類型。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下:
本發明的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預測方法，包括如下步
驟:
(1)確定軌道交通橋梁結構噪聲預測參數，所述噪聲預測參數包括車輛參數、軌道結構參數、橋梁參數、輪軌組合粗糙度譜及行車速度；
(2)根據眾多實測時A聲級下橋梁噪聲與鋼軌噪聲的峰值頻率，確定計算的頻率范圍為中頻；
(3)根據步驟(I)所選的軌道交通橋梁結構噪聲預測參數，建立橋梁結構三維有限元模型，進行模態分析，得到橋梁模態信息；
(4)根據步驟(3)得到的橋梁模態信息以及步驟(I)得到的軌道結構參數，建立軌道-橋梁功率流數值模型，在跨中位置的軌道上作用不同頻率的單位簡諧力，計算結構的振動響應，得到各頻率下的振動功率幅值。考慮單節車輛長度范圍內的車輪總數，根據功率疊加原理，計算單位長度橋梁、軌道的振動功率；根據車輪與軌道接觸點處的位移協調條件，結合步驟(I)得到的輪軌組合粗糙度譜，計算輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜，然后結合已算得的單位粗糙度下的橋梁和軌道振動功率，得到實際粗糙度激勵下的單位長度橋梁和軌道的隨機振動功率；(5)建立橋梁和軌道的二維有限元模型，分別進行橋梁模態分析、軌道模態分析并生成表面網格文件，根據橋梁模態分析和軌道模態分析分別進行單位簡諧力響應振動計算，得到二維有限元模型諧響應的表面振速。根據生成的表面網格文件建立包含橋梁與軌道的二維邊界元模型，以二維有限元模型諧響應的表面振速作為聲學邊界條件，得到橋梁和軌道在單位簡諧力作用下的振動功率和場點聲壓；
(6)依照步驟(4)中的隨機振動功率和步驟(5)中的振動功率的關系，對邊界元模型計算出的橋梁和軌道輻射場點聲壓進行縮放，得到實際的聲壓，然后根據聲壓疊加原理計算軌道和橋梁的總輻射噪聲。
[0006]本發明中，所述步驟(3)中，橋梁結構用三維實體單元模擬，二期恒載用質量單元模擬，橋梁模態分析頻率范圍為中頻。
[0007]本發明中，所述步驟(4)中，軌道-橋梁功率流數值模型中，軌道用無限長歐拉梁模擬，軌道與橋梁之間的扣件用彈簧單元模擬，以彈簧力(包括回復力和阻尼力)為基本未知量建立軌道-橋梁系統力法方程。在鋼軌上某車輪位置作用豎向單位正弦荷載，各彈簧處的位移協調方程為
【權利要求】
1.基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預測方法，其特征在于具體步驟如下: (1)確定軌道交通橋梁結構噪聲預測參數，所述噪聲預測參數包括車輛參數、軌道結構參數、橋梁參數、輪軌組合粗糙度譜及行車速度； (2)根據眾多實測時A聲級下橋梁噪聲與鋼軌噪聲的峰值頻率，確定計算的頻率范圍為中頻； (3)根據步驟(1)所選的橋梁參數，建立橋梁結構三維有限元模型，進行模態分析，得到橋梁模態信息； (4)根據步驟(3)得到的橋梁模態信息以及步驟(1)得到的軌道結構參數，建立軌道-橋梁功率流數值模型，在跨中位置的軌道上作用不同頻率的單位簡諧力，計算結構的振動響應，得到各頻率下的振動功率幅值；考慮單節車輛長度范圍內的車輪總數，根據功率疊加原理，計算單位長度的橋梁、軌道振動功率；根據車輪與軌道接觸點處的位移協調條件，結合步驟(1)得到的輪軌組合粗糙度譜，計算輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜，然后結合已算得的單位粗糙度下的橋梁和軌道振動功率，得到實際粗糙度激勵下的單位長度橋梁和軌道的隨機振動功率； (5)建立橋梁和軌道的二維有限元模型，分別進行橋梁模態分析、軌道模態分析并生成表面網格文件，根據橋梁模態分析和軌道模態分析結果分別進行單位簡諧力響應振動計算，得到二維有限元模型諧響應的表面振速；根據生成的表面網格文件建立包含橋梁與軌道的二維邊界元模型，以二維有限元模型諧響應的表面振速作為聲學邊界條件，得到橋梁和軌道在單位簡諧力作用下的振動功率和場點聲壓； (6)依照步驟(4)中的隨機振動功率和步驟(5)中的振動功率的關系，對邊界元模型計算出的橋梁和軌道輻射場點聲壓進行縮放，得到實際的聲壓，然后根據聲壓疊加原理計算軌道和橋梁的總輻射噪聲。
2.如權利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(3)中，橋梁結構用三維實體單元模擬，二期恒載用質量單元模擬，橋梁模態分析頻率范圍為中頻。
3.如權利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，軌道-橋梁功率流數值模型中，軌道用無限長歐拉梁模擬，軌道與橋梁之間的扣件用彈簧單元模擬，以彈簧力(包括回復力和阻尼力)為基本未知量建立軌道-橋梁系統力法方程，計算單位簡諧荷載作用下系統的振動速度及功率流。
4.如權利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在鋼軌上某車輪位置作用豎向單位正弦荷載，各彈簧處的位移協調方程為:S(?)F(?)+AJS(?) = -A(i2})F(<2j) 其中’力單位正弦荷載圓頻率；F(^)為未知彈簧力列向量；Ai O)為單位正弦荷載引起的彈簧壓縮位移列向量；SO)為結構動柔度矩陣；Λζφ)為彈簧動柔度矩陣；解此方程可得各彈簧力尾M，《指第《個彈簧單元，進而求出各彈簧節點的位移；然后，根據位移和速度的關系，計算各彈簧的節點速度UCM，a為第《個彈簧單元的^節點。
5.如權利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，通過第《個彈簧輸入到各結構的功率計算公式為:
6.如權利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在單位粗糙度激勵下，考慮多個輪子作用在鋼軌上的單位長度鋼軌振動功率的公式為
7.如權利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在單位粗糙度激勵下，考慮多個輪子作用在鋼軌上的單位長度橋梁振動功率的公式為:
8.如權利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(4)中，輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜計算公式為:
9.如權利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(5)中，橋梁和軌道采用平面應變單元模擬，網格尺寸小于最小聲波波長的1/10，以保證計算精度，基于模態疊加法分別求解橋梁和軌道的諧響應，并求解出橋梁和軌道的振動功率，分別為^和》；213 ;將橋梁和軌道諧響應作為它們的二維邊界元模型的聲學邊界條件，從而計算單位簡諧力下的軌道及橋梁聲輻射，并采用虛聲源法考慮地面反射，計算得到的橋梁輻射聲壓和軌道輻射聲壓分別為和e。
10.如權利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預測仿真預測方法，其特征是:所述步驟(6)中，聲壓縮放系數為功率流模型算得的實際輪軌粗糙度激勵的結構振動功率與邊界元模型算得的單位粗糙度激勵的振動功率的比值開根號，因此，隨機輪軌激勵下的橋梁、軌道噪聲預測表達式分別為:
【文檔編號】G06F17/50GK104036087SQ201410283268
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】勵吾千, 李奇, 吳定俊, 于貞波 申請人:同濟大學