CN101697175A - 一种轨道交通噪声仿真预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种轨道交通噪声仿真预测方法，其特征是：选择轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重作为预测参数；建立机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型；并将所选择的参数输入到模型中，计算轮轨动态作用力；分别建立车轮和轨道的三维有限元模型，并将轮轨动态作用力输入模型中，分别计算出车轮和钢轨的高频振动响应，然后计算结果作为条件，根据结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，分别计算出车轮和钢轨振动辐射噪声，最后叠加得到轮轨噪声。本发明由车轮钢轨振动噪声产生的机理出发预测噪声，同时不但细化了车轮和钢轨模型，而且考虑轮轨接触非线性，更好地模拟了高频激励下的轮轨振动特性，预测准确度更高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于轮轨高频振动非线性接触模型的轨道交通噪声仿真预测方法，适用于铁路干线、客运专线、城际轨道和城市轨道交通的环境噪声评估和预测，属于轨道交通振动与噪声领域。
背景技术
随着我国铁路与城市轨道交通的发展，铁路列车的速度越来越高，由此而带来的环境问题日益突出，国外高速铁路的运行经验表明，高速列车的环境问题是高速化铁路最难解决的三大问题之一，其它两个问题分别安全性和舒适性问题，而噪声问题则是高速列车环境污染问题中最突出的问题，因此有效地减少和消除噪声，是高速铁路设计和建设中迫切需要考虑与解决的问题，也是关系到铁路能否发挥高效运能的关键。世界第一条高速铁路日本新干线的振动及噪声曾受到公众的强烈反对，因而在其投入运行后采取了一系列措施进行补救，法国TGV列车由于运行噪声，沿线居民提出强烈反对，因而不得不面临在一些区段限速的局面，美国在高速铁路的规划中同样碰到了这一类问题。在当今人们环保意识日益增强的时代，如何降低高速列车运行时的噪声是高速铁路发展过程中无法回避的问题。
铁路在工程设计和建设阶段就合理地解决铁路交通的噪声问题。因此，在修建高速铁路之前，进行预估铁路噪声和进行噪声控制的工程设计是很有必要的。预估铁路噪声通常有两种方法：一是理论计算，二是现场实测。对于既有线路，用实测方法有效可行，但对于新线，则必须通过理论计算来预测列车噪声的强度，进而了解我国高速铁路辐射噪声的特性，掌握我国列车运行辐射噪声源的规律，为有关部门以及设计院提供声学基础数据。轨道交通噪声通常由车轮钢轨振动产生的噪声、桥梁结构物噪声、集电系统噪声和空气动力噪声组成。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于轮轨高频振动非线性接触模型的轨道交通噪声仿真预测方法。
本发明通过对轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重等数据的采集，输入机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型中去，计算轮轨动态作用力，再通过建立车轮和轨道的三维有限元模型，计算轮轨动态作用力下车轮和钢轨的各自的高频振动速度响应，根据车轮和钢轨高频振动速度响应，分别得到车轮与轨道的噪声，再利用振动噪声辐射理论来预测轮轨噪声。
本发明目的通过以下技术方案来实现：当列车速度低于250km/h时，轨道交通噪声主要以车轮钢轨振动产生的噪声为主，从车轮钢轨振动噪声产生的机理出发，通过建立轮轨高频振动非线性接触模型，研究车轮和钢轨在轮轨不平顺作用下的高频振动特性，根据车轮和钢轨高频振动响应，利用振动噪声辐射理论来预测轮轨噪声。
本发明的轨道交通轮轨噪声预测方法包括如下步骤：
(1)选择轨道交通轮轨噪声预测参数。主要选择轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重等为轨道交通轮轨振动及噪声预测参数；
(2)对机车和车辆分别建立机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型。
轮轨系统振动模型是车轮轨动力学的分析基础，也是研究轮轨系统垂向动态相互作用的理论工具，更是计算轮轨噪声的必要基础。本发明采用整车附有二系弹簧车辆-轨道藕合系统，轨道采用三层离散点支承模型，充分反映钢轨-垫层-轨枕-道床-体系功能及其相互作用，其中钢轨被看作为连续弹性等间隔离散点支承上的无限长Timoshenko梁，考虑了钢轨的旋转与剪切对轮轨动态响应的影响，车辆或机车采用附有二系弹簧系统的整车模型，车体和转向架考虑沉浮振动和点头振动，轮轨之间的接触采用非线性弹性接触模型。
(3)根据轮轨高频振动非线性接触模型计算轮轨作用力。
根据(1)选择的轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重等轨道交通轮轨振动参数，输入到(2)所建立的机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型中，计算轮轨动态作用力。
(4)分别建立车轮和轨道的三维有限元模型，计算轮轨作用力下车轮和轨道的高频振动响应。
1)要求解列车轮对和轨道在轮轨作用力下的辐射噪声，必须要先解出列车轮对和轨道的动态响应。本发明采用有限元法建立列车轮对和轨道的模型，并且用其对列车轮对和轨道进行频率响应的分析。
2)由轮对表面粗糙度激励引起的振动向上传递时，由于减振弹簧的作用，高频振动成分极大的削弱。因此轮对系统高频振动分析时，激励点以上部分的模型只保留轮对，忽略簧上部分结构振动的影响，本发明研究的轮对由车轮和轴组成，其中车轮由踏面、轮缘、轮辆、辐板、轮毅、轮箍、轮心等部分组成，在本发明的计算中采用三维实体8结点单元来模拟。
3)实际轨道系统是一无限长结构，当轨道系统上有一作用力时，由于轨道系统阻尼的作用，该作用力的影响只局限在有限长度。本发明在满足工程精度的情况下，根据实际轨道结构建立三维实体有限元模型，轨道包括钢轨、轨下垫层、轨枕和道床。
(5)将车轮声辐射视为一系列沿轨道方向的简单点声源的叠加，而钢轨等则被视为一有限长通过受声点的线声源，把轮轨作用力下车轮和钢轨的高频振动响应作为条件，根据结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，计算出车轮和钢轨振动辐射噪声，最后叠加得到轮轨噪声。
本发明是从车轮钢轨振动噪声产生的机理出发，研究轮轨高频振动非线性接触模型在该轮轨表面不平顺激励源作用下，引起的轮轨高频振动特性，根据振动噪声辐射理论来预测车轮钢轨振动产生的噪声。与现有的轨道交通噪声技术相比，一是由车轮钢轨振动噪声产生的机理出发来预测噪声，二是采用了轮轨高频振动非线性接触模型，该模型不但细化了车轮和钢轨模型，而且考虑轮轨接触非线性，能更好的模拟高频激励下的轮轨振动特性，预测的轮轨噪声准确度更高。可以利用该发明来了解轮轨各主要参数对噪声产生所起作用的大小，并可使用该方法进行轮轨参数修改，以达到降低噪声的目的，使轮轨噪声控制由被动变为主动。
附图说明
图1为轨道交通噪声仿真预测流程图。
图2为机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型。Kx1，Ky1为轨下垫层的支承弹性系数，Cx1，Cy1为阻尼系数；Ky2为枕下道床的支承弹性系数，Cy2阻尼系数；Ky3为道碴下路基的支承弹性系数，Cy3为阻尼系数；Mc、Jc为车体质量与转动惯量；Mt、Jt为单位长度轨枕质量与转动惯量；Mwi(i＝1，2，3，4……)为第i个车轮的质量；Kw为轮轨间赫兹接触刚度；Cs1、Cs2为车辆一、二系悬挂阻尼；Ks1、Ks2为车辆一、二系悬挂刚度；Vc为车体沉浮振动的竖向位移；Vt1为第1个转向架沉浮振动的竖向位移；Vw1为第1个车轮的竖向位移。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例。
在本实施中，基于轮轨高频振动非线性接触模型的轨道交通噪声仿真预测方法流程图如图1所示。首先采集轨道交通噪声仿真预测参数，并输入到所建立的机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型(如图2所示)中去，计算轮轨动态作用力，再通过建立车轮和轨道的三维有限元模型，计算轮轨动态作用力下车轮和钢轨的高频振动响应，根据车轮和钢轨高频振动响应，利用振动噪声辐射理论来预测轮轨噪声。
下面给出本发明方法对轨道交通噪声仿真预测的具体过程。
(1)选择轨道交通噪声仿真预测参数。主要选择的参数为轮轨不平顺、机车类型、车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重。
(2)建立如图2所示的机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型。轨道采用三层离散点支承模型，钢轨被视为连续弹性等间隔离散点支承上的无限长Timoshenko梁，轨下垫层的支承弹性及阻尼分别用等效弹性系数Kx1，Ky1和阻尼系数Cx1，Cy1表示；枕下道床的支承弹性系数和阻尼系数分别用Ky2和Cy2表示；道碴下路基的支承弹性系数和阻尼系数分别用Ky3和Cy3表示；车机和车辆采用附有二系弹簧系统的整车模型，车体和转向架考虑沉浮振动和点头振动。轮轨之间的接触采用赫兹非线性弹性接触模型。
(3)根据(1)选择的轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重等轨道交通轮轨振动参数，输入到(2)所建立的机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型中，计算轮轨动态作用力。
(4)轨道和车轮的三维有限元模型的建立。轨道结构建立三维实体有限元模型，轨道包括钢轨、轨下垫层、轨枕和道床。其中，钢轨利用三维实体单元SOLID45来模拟钢轨，轨枕采用7个耦合在一起的质量单元mass21模拟；在钢轨与轨枕之间采用7个弹簧阻尼单元COMBIN14连接，模拟轨下胶垫的弹性与阻尼，轨枕下部也是7个弹簧阻尼单元，模拟道床的弹性与阻尼，选取20跨轨道模型。车轮由踏面、轮缘、轮辆、辐板、轮毅、轮箍、轮心组成，在本实施例的计算中车轮采用三维实体8结点单元来模拟。
(5)将计算出来的轮轨动态作用力作为激励分别作用到轨道和车轮的三维有限元模型中，可以分别获得钢轨和车轮在轮轨力作用下的高频振动速度响应。
(6)将车轮声辐射视为一系列沿轨道方向的简单点声源的叠加，而钢轨等则视为一有限长通过受声点的线声源，利用结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，根据钢轨和车轮在轮轨力作用下的速度响应，分别计算出车轮和钢轨轨振动辐射噪声，最后叠加得到轮轨噪声。
Claims (4)
1.一种轨道交通噪声仿真预测方法，其特征是：
(1)选择轨道交通轮轨噪声预测参数，包括轮轨不平顺、机车车辆类型、轨道类型、行车速度、轴重；
(2)建立机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型；
(3)将所选择的参数输入到(2)所建立的模型中，计算轮轨动态作用力；
(4)分别建立车轮和轨道的三维有限元模型，并将(3)的计算结果输入所建立的模型中，分别计算出车轮和钢轨的高频振动响应；
(5)将(4)的计算结果作为条件，根据结构振动发射的声功率和结构表面振动的均方速度关系，分别计算出车轮和钢轨振动辐射噪声，最后叠加得到轮轨噪声。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的建立机车-轨道和车辆-轨道高频振动非线性接触模型，整车附有二系弹簧车辆一轨道藕合系统，轨道采用三层离散点支承模型，其中钢轨设为连续弹性等间隔离散点支承上的无限长Timoshenko梁，车辆或机车采用附有二系弹簧系统的整车模型，车体和转向架考虑沉浮振动和点头振动，轮轨之间的接触采用非线性弹性接触模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的车轮的三维有限元模型，其中轮对由车轮和轴组成，车轮包括踏面、轮缘、轮辆、辐板、轮毅、轮箍、轮心，并采用三维实体8结点单元来模拟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的轨道的三维有限元模型为三维实体有限元模型，包括钢轨、轨下垫层、轨枕和道床，其中，钢轨利用三维实体单元SOLID45来模拟钢轨，轨枕采用7个耦合在一起的质量单元mass21模拟；在钢轨与轨枕之间采用7个弹簧阻尼单元COMBIN14连接，模拟轨下胶垫的弹性与阻尼，轨枕下部也是7个弹簧阻尼单元，模拟道床的弹性与阻尼，选取20跨轨道模型。
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