CN106934119A - 一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，包括：1）选取高噪声沥青路面和普通沥青路面作为试验路，并进行现场噪声测试试验，得到现场行车振动噪声；2）建立离散元试验模型；3）计算车轮模型与路面模型之间垂直方向的接触压力；4）通过现场行车振动噪声以及步骤3）所得到的轮地接触压力建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系：轮地接触压力的波动性越大，行车振动噪声越大。本发明旨在论证行车振动噪声与轮地接触压力的关系，从而利用轮地接触压力评价行车振动噪声，用于解决目前低噪路面研究中，如何运用离散元研究沥青路表形态对行车振动噪声影响以及如何评价行车振动噪声。

Description

一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法
技术领域
本发明属于沥青路面降噪领域，涉及一种噪声评价方法，尤其涉及一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法。
背景技术
随着交通量的急剧增长，城市的交通噪声问题日益严重。轮胎-路面噪声是交通噪声中非常重要的来源之一。从产生机理的角度来看，轮胎-路面噪声包含了振动噪声和气动噪声两类。当车辆在城市拥挤交通环境中低速行驶时，振动噪声所占的比例较高，因此减弱行车振动噪声可以在一定程度上改善城市交通声环境。
目前，对于低噪沥青路面的研究已经发现，沥青路表形态特性，包括集料粒径、形状、级配等因素，对行车振动噪声和行车气动噪声都有很大的影响。然而，由于路表形态特性过于细观，通过现场试验的方法，研究其对行车振动噪声的影响十分困难。
为此，山西省交通科学研究院提出利用离散元模拟路表形态，运用力学计算的方法评价行车振动噪声的方法。离散元建模软件可以模拟特定级配、特定集料粒径和特定集料形状的沥青混合料试件。利用离散元建模，计算路面模型与车轮模型之间的垂直接触压力，通过接触压力的波动性来评价行车振动噪声的大小，进而可以研究沥青路表形态特性对行车振动噪声的影响。
因此，开发一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法对于低噪路面的设计、研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种运用离散元模拟软件，计算车轮与路面接触压力，从而评价行车振动噪声的方法，本发明旨在论证行车振动噪声与轮地接触压力之间的关系，用于解决目前低噪路面研究中，如何运用离散元研究沥青路表形态对行车振动噪声影响以及如何评价行车振动噪声。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法包括以下步骤：
1)选取高噪声沥青路面和普通沥青路面作为试验路，并进行现场噪声测试试验，得到现场行车振动噪声；所述现场噪声测试试验的测试对象是车内噪声；
2)利用离散元颗粒流软件建立试验模型；所述试验模型包括路面模型以及车轮模型；所述路面模型包括高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型；
3)模拟一定车速下由车轮模型在路面模型上的行驶过程，计算车轮模型与路面模型之间垂直方向的接触压力，该接触压力是轮地接触压力；
4)通过步骤1)得到的现场行车振动噪声以及步骤3)所得到的轮地接触压力建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系，轮地接触压力的波动性越强，行车振动噪声越大：运用统计学中的均方根误差反映轮地接触压力的波动性，所述轮地接触压力的波动性是振动系数K，振动系数K的值越大，接触压力的波动越强烈，行车振动噪声也越大，所述振动系数K的计算方式如下：
式中：
F突变是接触压力的突变值；
F稳定是接触压力的稳定值；
n是发生突变的点位数。
作为优选，本发明所采用的步骤1)中现场噪声测试试验的试验方式是参照滑行法并结合《GB-1496机动车辆噪声测量方法》制定车内噪声的测量方法。
作为优选，本发明所采用的车内噪声的测量方法的具体实现方式是：
选取桑塔纳出租车作为实验车辆，测试人员手持声级计坐在副驾驶位置；车内噪声采集区域长20m，实验车辆在发动机关闭和变速器空挡的情况下进入噪声采集区域，并沿中间线位置前行，以不同车速分两次测量；使用声级计“慢”档测量A声级。
作为优选，本发明所采用的步骤2)中高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型的尺寸均是300mm×50mm×50mm。
作为优选，本发明所采用的高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型的建立方法是：
a)用matlab软件，根据matlab中的随机多面体生成算法，实现多面体颗粒，生成txt文件；
b)在PFC3D内生成沥青路面模型的外围墙体，以路面表面中心为坐标原点，按照50mm×300mm×50mm(1+extend)的尺寸生成墙体，extend是高度扩大系数，添加这一参数是为了方便后期的压缩成型；
c)按照级配生成确定数量的基球；
d)txt文件多面体代替基球并结合成clump；给底面墙体速度使压缩，当颗粒间压力为Target_press时压缩停止；
e)应力清零。
作为优选，本发明所采用的车轮模型的建立方法是：选用直径为15±1mm的单元小球，将单元小球粘结组合成一个圆环块体，模拟车轮；所述车轮模型的直径是200mm，轮宽50mm。
作为优选，本发明所采用的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法在步骤4)之后还包括：
5)利用离散元软件构建不同沥青路表形态特征的沥青路面模型，模拟车轮的行驶过程，计算轮地接触压力；通过轮地接触压力评价行车振动噪声。
本发明所述的沥青路表形态特征包括级配、集料形状以及尺寸。
作为优选，本发明所采用的离散元软件是PFC3D。
本发明的优点是：
本发明提供了一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，包括：1)选取高噪声沥青路面和普通沥青路面作为试验路，并进行现场噪声测试试验，得到现场行车振动噪声；现场噪声测试试验的测试对象是车内噪声；2)利用离散元颗粒流软件建立试验模型；试验模型包括路面模型以及车轮模型；路面模型包括高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型；3)模拟一定车速下由车轮模型在路面模型上的行驶过程，计算车轮模型与路面模型之间垂直方向的接触压力，该接触压力是轮地接触压力；4)通过步骤1)得到的现场行车振动噪声以及步骤3)所得到的轮地接触压力建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系：轮地接触压力的波动性越大，行车振动噪声越大。本发明选取一种典型的高噪音沥青路面，选取一种普通的沥青路面，分别进行现场行车振动噪声测试。运用离散元软件，根据两种路面的不同级配，分别建立路面模型，模拟车轮模型在路面模型上的行驶过程，计算轮地接触压力。对比试验结果和模拟结果，论证行车振动噪声与轮地接触压力的关系。基于这一结论，就可以利用轮地接触压力对行车振动噪声进行评价。具体方法为：利用离散元软件建立一定路表形态特征(级配、集料尺寸、形状等)的路面模型；利用离散元软件建立车轮模型；模拟一定车速下，车轮模型在路面模型上的行驶过程，计算轮地接触压力；分析轮地接触压力的波动性，评价行车振动噪声，进而可以研究沥青路表形态特征对行车振动噪声的影响。本发明提供一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，用于解决目前低噪路面研究中，如何运用离散元研究沥青路表形态对行车振动噪声影响以及如何评价行车振动噪声，这对于低噪路面的设计、研究具有重要的意义。
具体实施方式
下面对本发明所提供的技术方案进行详细说明。
第一步，分别选取高噪声沥青路面和普通沥青路面作为试验路，进行行车振动噪声测试。
对于车内的驾驶员或乘客而言，在车内环境处于封闭的状态时，车内噪声能够较好地反映行车振动噪声，因此，现场测试试验的测试对象是车内噪声。根据实际经验，进行过微表处养护的路段，其车内噪声要明显大于普通沥青路面的车内噪声，因此选取微表处路段(高噪声沥青路面)和普通的SMA-10路段(普通沥青路面)进行车内噪声测试。
参照滑行法，并结合《GB-1496机动车辆噪声测量方法》制定车内噪声的测量方法：选取桑塔纳出租车作为实验车辆，测试人员手持声级计坐在副驾驶位置。车内噪声采集区域长20m，实验车辆在发动机关闭和变速器空挡的情况下进入噪声采集区域，并沿中间线位置前行，分两次测量，第一次车速控制在80km/h，第二次车速控制在40km/h。使用声级计“慢”档测量A声级。在目前道路噪声的研究中，桑塔纳出租车被作为标准车而使用，当然使用其它型号的出租车也是可行的，本发明采用桑塔纳出租车，其目的在于与国内外大多数的研究相统一。
第二步，利用离散元颗粒流软件建立模型。
采用离散元颗粒流软件PFC3D构建微表处路面模型、SMA-10路面模型以及车轮模型。路面模型尺寸为300mm×50mm×50mm；车轮模型直径为200mm，轮宽50mm。路面模型建立步骤：
1.用matlab软件实现多面体颗粒，生成txt文件；
2.在PFC3D中生成50mm×300mm×50mm的墙体，高度扩大extend，便于压缩；
3.利用扩大粒径法，按照级配生成确定数量的基球；
4.txt文件多面体代替基球并形成clump；给底面墙体速度使压缩，当颗粒间压力为Target_press时压缩停止；
5.应力清零。
路面模型构建完成之后，下一步就是构建车轮模型，本发明通过选用直径15mm左右的单元小球，将其粘结组合成一个圆环块体，从而模拟车轮。
第三步，模拟车轮在路面上的行驶过程，计算轮地接触压力，建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系。
路面模型的长边方向设置为y轴方向，车轮的竖直受力方向为z轴方向。首先，设置车轮沿路面行驶时车轮中心的起始位置startpos和终止位置endpos，将起始位置坐标设为(0，-0.125，0)，终止位置坐标设为(0，0.125，0)。给车轮y向速度cl_yvel和旋转角速度cl_rxvel，使车轮沿着y轴方向从startpos运行到endpos，保存车路之间的接触压力，将其保存于his文件中。最后导入到excel中进行数据处理，绘制成接触压力波动图。
当车轮在光滑路面上滚动时，车轮和路面之间的接触压力是一个稳定的值。沥青路表的颗粒性使轮地接触压力不能始终维持稳定，会在部分接触点位上产生突变。这些突变的力导致了车轮与路面之间的振动，从而产生行车振动噪声。从模拟结果来看，不管是在80km/h还是在40km/h的车速状态下，微表处路面的轮地接触压力的波动性均要明显强于SMA-10路面。结合现场试验的结果：微表处路面的行车振动噪声要高于SMA-10路面，可以建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系，即：车轮-路面接触压力的波动性越大，行车振动噪声越大。
基于上述关系，根据轮地接触压力就可以对行车振动噪声进行评价，进而利用离散元软件，通过控制沥青路表形态特征(级配、集料形状、尺寸等)，可以研究沥青路表形态特征对行车振动噪声的影响，下面结合具体的实施例进行说明。
实施例：针片状颗粒含量对行车振动噪声的影响
第一步，利用matlab软件实现随机形状的针片状颗粒(长宽高比例为3：1：1)和规则状颗粒(长宽高比例为1：1：1)。
第二步，在PFC3D内生成沥青路面模型的外围墙体，以路面表面中心为坐标原点，按照50mm×300mm×50mm(1+extend))的尺寸生成墙体，extend是高度扩大系数。利用扩大粒径法生成一定数量的针片状颗粒和规则状颗粒，控制针片状颗粒含量分别为0％、10％、15％、20％，生成四种路面模型，所选用级配为常用的AC-13。
第三步，构建车轮模型，模拟一定车速下车轮在路面上的行驶过程。保存车路之间的接触压力。运用统计学中的均方根误差反映轮地接触压力的波动性，可将其定义为振动系数K，振动系数的值越大，接触压力的波动越强烈，行车振动噪声也越大，计算方式如下：
式中，K是振动系数，F突变是接触压力的突变值，F稳定是接触压力的稳定值，n是发生突变的点位数。
第四步，分析不同针片状颗粒含量路面的车路接触压力的振动系数随车速的变化，从而研究针片状颗粒含量对行车振动噪声的影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法包括以下步骤：
1)选取高噪声沥青路面和普通沥青路面作为试验路，并进行现场噪声测试试验，得到现场行车振动噪声；所述现场噪声测试试验的测试对象是车内噪声；
2)利用离散元颗粒流软件建立试验模型；所述试验模型包括路面模型以及车轮模型；所述路面模型包括高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型；
3)模拟一定车速下由车轮模型在路面模型上的行驶过程，计算车轮模型与路面模型之间垂直方向的接触压力，该接触压力是轮地接触压力；
4)通过步骤1)得到的现场行车振动噪声以及步骤3)所得到的轮地接触压力建立行车振动噪声与轮地接触压力的关系，运用统计学中的均方根误差反映轮地接触压力的波动性，所述轮地接触压力的波动性是振动系数K，振动系数K的值越大，接触压力的波动越强烈，行车振动噪声也越大，所述振动系数K的计算方式如下：
式中：
F突变是接触压力的突变值；
F稳定是接触压力的稳定值；
n是发生突变的点位数。
2.根据权利要求1所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述步骤1)中现场噪声测试试验的试验方式是参照滑行法并结合《GB/T1496-1979机动车辆噪声测量方法》制定车内噪声的测量方法。
3.根据权利要求2所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述车内噪声的测量方法的具体实现方式是：
选取桑塔纳出租车作为实验车辆，测试人员手持声级计坐在副驾驶位置；车内噪声采集区域长20m，实验车辆在发动机关闭和变速器空挡的情况下进入噪声采集区域，并沿道路中间线位置前行，以不同车速分两次测量；使用声级计“慢”档测量A声级。
4.根据权利要求3所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述步骤2)中高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型的尺寸均是300mm×50mm×50mm。
5.根据权利要求4所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述高噪声沥青路面模型以及普通沥青路面模型的建立方法是：
a)用matlab软件，根据matlab中的随机多面体生成算法，实现多面体颗粒，生成txt文件；
b)在PFC3D内生成沥青路面模型的外围墙体，以路面表面中心为坐标原点，按照50mm×300mm×50mm(1+extend)的尺寸生成墙体，extend是高度扩大系数；
c)按照级配生成确定数量的基球；
d)txt文件多面体代替基球并结合成clump；给底面墙体速度使压缩，当颗粒间压力为Target_press时压缩停止；
e)应力清零。
6.根据权利要求5所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述车轮模型的建立方法是：选用直径为15±1mm的单元小球，将单元小球粘结组合成一个圆环块体，模拟车轮；所述车轮模型的直径为200mm，轮宽50mm。
7.根据权利要求1-6任一所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法在步骤4)之后还包括：
5)利用离散元软件构建不同沥青路表形态特征的沥青路面模型，模拟车轮的行驶过程，计算轮地接触压力；通过轮地接触压力评价行车振动噪声。
8.根据权利要求7所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述沥青路表形态特征包括级配、集料形状以及尺寸。
9.根据权利要求8所述的利用轮地接触压力评价行车振动噪声的方法，其特征在于：所述离散元软件是PFC3D。
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