CN111339628B

CN111339628B - 基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法

Info

Publication number: CN111339628B
Application number: CN201911019655.2A
Authority: CN
Inventors: 侯博文; 高亮; 李佳静; 曾钦娥; 秦家栋; 赵闻强
Original assignee: Beijing Jiaotong University; China State Railway Group Co Ltd
Current assignee: Beijing Jiaotong University; China State Railway Group Co Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: CN111339628A

Abstract

本发明提供了一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法。该方法包括：根据高速铁路的车轮、钢轨、轮轨的振动导纳和联合粗糙度计算出轮轨相互作用力，基于流固耦合构建车轮—轨道振动噪声联合预测模型，利用车轮—轨道振动噪声联合预测模型预测得到车轮、钢轨、轨道板的振动噪声；利用轮轨区域流场的流体域模型得到流场内的空气动压力，根据空气动压力仿真得到轮轨区域的空气气动噪声；根据车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行分析。本发明使用谐响应分析方法对无砟轨道振动频域内的垂、纵向传递特性进行分析，实现了高速铁路轮轨区域振动及噪声分析的联合分析。

Description

基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法

技术领域

本发明涉及高速铁路振动及噪声的特性分析技术领域，尤其涉及一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法。

背景技术

高速铁路以其高平顺性、高稳定性、高时效性等优势在满足我国客运需求、推动经济发展中发挥着巨大作用。在我国，国家铁路局将中国高铁定义为设计开行时速250公里以上、初期运营时速250公里以上的客运列车专线铁路。随着我国人民生活水平的不断提高，人民群众对于生活质量的要求不断提高，对于高速铁路的噪声控制及防治也提出了新的要求和新的目标。因此，必须对高速铁路振动及噪声进行科学合理的特性分析。

目前，现有技术中对于高速铁路的轮轨振动以及噪声特性数值分析的研究当中，主要采取的定值轮轨力或者是基于相对力激励模型换算得到定点轮轨力频谱作为轨道结构振动噪声的激扰。没有考虑到车辆——轨道的耦合作用，只能用来分析轮轨系统固有的频域传递特性，而无法获得高速列车实际通过引起的轮轨振动噪声的特性。目前针对于轮轨区域的噪声的研究，要么是只对振动噪声进行相关的理论试验的分析研究，要么是只对气动噪声单独拿出来进行噪声特性分析，强行割裂了对于轮轨区域的噪声分析的整体性。由此可见，既有的轮轨振动及噪声分析方法存在着不足之处。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法，以解决传统由于采用定值轮轨力而无法分析高速列车实际通过引起的振动噪声特性的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法，包括：

根据高速铁路的车轮、钢轨、轮轨的振动导纳和联合粗糙度计算出轮轨相互作用力，根据所述轮轨相互作用力基于流固耦合构建车轮-轨道振动噪声联合预测模型，利用所述车轮-轨道振动噪声联合预测模型预测得到车轮、钢轨、轨道板的振动噪声；

构建轮轨区域流场的流体域模型，利用所述流体域模型得到流场内的空气动压力，根据所述空气动压力仿真得到轮轨区域的空气气动噪声；

根据所述车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析。

优选地，所述车轮、钢轨和轮轨的振动导纳的计算方法包括：

通过分别在钢轨及车轮上的某一点j点施加作用力F_i，利用谐响应分析法计算车轮及钢轨在加载点处的位移响应D_j，则车轮及钢轨加载点处的振动导纳

分别通过下式进行计算：

轮轨接触导纳α_contact为轮轨接触刚度K_contact的倒数，即：

α_contact＝1/K_contact (3)

优选地，所述车轮-轨道振动噪声联合预测模型采用有限元分析软件选择无砟轨道进行建模，钢轨采用三维实体单元模拟，扣件系统采用弹簧阻尼单元模拟，轨道板采用三维实体单元模拟，所述车轮—轨道振动噪声联合预测模型中包含一根钢轨和半块轨道板，并且通过在轨道板中间部位施加对称约束以及在下部轨道板结构结点进行全约束来模拟边界条件。

优选地，所述的构建轮轨区域流场的流体域模型，包括：

在混凝土底座以下基础上的一端的对称面的最下方轴上建立半径4.25m的流体域模型，运用布尔运算将流体域内的车轮体、钢轨、轨道板、底座和底座下基础全部舍去，只留下纯流体域模型，将流体域模型的外表面导出并进行网格划分，将外表面网格划分为进口面、出口面、对称侧面、顶面和底面，所述进口面、出口面、对称侧面的最小网格尺寸为0.01m，网格类型取三角，所述顶面和底面的最小网格尺寸为0.5m，网格类型取三角，钢轨、车轮的空气接触面的网格划分的最小网格尺寸为0.01m，网格类型取三角，基于所述流体域模型的外表面的网格划分和钢轨、车轮的空气接触面的网格划分进行3D体网格的划分。

优选地，所述的根据所述空气动压力仿真得到轮轨区域的空气气动噪声，包括：

构建气动噪声的空气域预测模型，将频域下的流场内的空气动压力导入所述气动噪声的空气域预测模型，仿真得到轮轨区域的空气气动噪声；

所述气动噪声的空气域预测模型的构建包括：选择湍流模型，流体材料默认选择空气，在之前设置的进口、出口、底部、上部、边界选择相应的流动面并进行了网格的划分，其中进口边界条件类型选择速度进口，速度依照实际行车速度进行选取，出口边类型选择压力出口，在建模的对称面上，在其类型选择设置为对称边界，而其他面上的边界条件类型均设置为流体不可通过的边界面，设置完毕后选择基于压力法的压力修正算法进行求解，计算步长根据最高分析频率倒数的1/2进行选取，计算结束后得到流场内的空气动压力下的时域结果；。

将所述空气动压力下的时域结果通过FFT变换得到频域下的流场内的空气动压；

空气域中各点i的频域下的气动压力p_i与各点的气动噪声N_i间的相互关系如下式：

优选地，所述的根据所述车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析，包括：

近场噪声通过提取空气域中的各节点处的空气压力值进行换算后得到，远场噪声基于声学无限元及数值插值的算法，根据近场噪声的计算结果获取空气域最外侧表面生成的无限元网格单元j处对应的空气压力p_j进行计算，

通过设置无限元封闭面形成的几何体的质心位置得到空气域以外区域内各点i距离质心位置的距离r，通过选择适合的无限元边界插值阶次n，根据下式计算得到空气域最外侧表面生成的无限元网格单元j处对应的空气压力p_j：

对于轮轨区域的近场噪声分析，每个列车运行速度下共放置8个观测点用于观测列车的噪声变化值，每个观测点设置一个传声器，8个观测点在线路旁摆放位置包括；测点1、2是根据《GB/T 5111-2011》对于声学的轨道机车车辆发射噪声测量传声器位置放置的要求，将传声器置于距离钢轨7.5m、距轨顶面以上1.2m±0.2m，观测点1、2是环境评价指标测量点，对于两点分别采用不同列车运行速度下的A计权声压级进行噪声评价，测点3、4、5、6这四个点是横向距两轨中心轴线1m处的处于同一横截面上的观测点，在竖直垂向高度上，测点3距离距钢轨底面高0.976m，测点4距离距钢轨底面高0.576m，测点5距离距钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上，测点6距离距钢轨底面高0.088m即在轨腰面的高度上，测点7、8这两个观测点是纵向钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上的,而观测点5也处于该平面上，观测点7水平距离在距两轨中心轴线7.5m处，与环评测点1同纵面；观测点8水平距离在距轨1.5m处，与环评测点2同纵面；观测点5、7、8组成一组点用于观测不同列车运行速度下横向截面的测点噪声的变化情况。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建立高速铁路无砟轨道轮轨振动有限元模型，使用谐响应分析方法可对无砟轨道振动频域内的垂、纵向传递特性进行分析。实现了高速铁路轮轨区域振动及噪声分析的联合分析，弥补了以往单一振动、振噪或气噪特性分析的不足，为高速铁路振动及噪声的分析提供了一种更加科学、合理的方法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法的实现原理示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种高速铁路车轮—轨道振动噪声联合预测模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种轮轨区域流场的流体域模型示意图；

图5为本发明实施例提供的一种两扣件跨中处的钢轨振动位移导纳；

图6为本发明实施例提供的一种噪声测点选取位置示意图；

图7为本发明实施例提供的一种测点1的振动噪声A计权声压级；

图8为本发明实施例提供的一种测点2的振动噪声A计权声压级；

图9为本发明实施例提供的一种垂向平面1/3倍频程振动噪声声压级；

图10为本发明实施例提供的一种横向平面1/3倍频程振动噪声声压级；

图11为本发明实施例提供的一种测点1的气动噪声A计权声压级；

图12为本发明实施例提供的一种测点2的气动噪声A计权声压级；

图13为本发明实施例提供的一种垂向平面1/3倍频程气动噪声声压级；

图14为本发明实施例提供的一种横向平面1/3倍频程气动噪声声压级；

图15为本发明实施例提供的一种250km/h速度下测点1的各结构振动噪声声源贡献量。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中为本发明实施例提供的一种，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

目前国内外对于轮轨振动与气振噪声间的联系还未有清晰的认识，因此需要对高速铁路无砟轨道轮轨区域的振动以及噪声的时频特性及噪声声源贡献量比例进行深入研究分析，建立基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动与噪声分析方法，为高速铁路无砟轨道的噪声污染的控制防治措施的制定优化及铁路系统噪声环境评价提供理论支持。

图1为本发明实施例提供的一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法的实现原理示意图，具体处理流程如图2所示，包括如下的处理过程：

步骤S210、根据高速铁路的车轮、钢轨、轮轨的振动导纳和联合粗糙度计算出轮轨相互作用力，根据所述轮轨相互作用力基于流固耦合建立车轮—轨道振动噪声联合预测模型，利用车轮—轨道振动噪声联合预测模型预测得到车轮、钢轨、轨道板的振动噪声。

从气动噪声以及振动噪声两方面来展开。对于振动噪声，基于相似性理论、界面力学、有限元等理论，建立轮轨振动分析模型。通过得到的车轮、钢轨、轮轨的振动导纳和联合粗糙度来计算轮轨相互作用力，

基于有限元法分别建立包含车轮、钢轨、轨道结构及下部基础的空间有限元模型，通过分别在钢轨及车轮上的某一点j点施加作用力F_j，利用谐响应分析法计算车轮及钢轨在加载点处的位移响应D_j，则车轮及钢轨加载点处的振动导纳

分别通过下式进行计算：

轮轨接触导纳α_contact为轮轨接触刚度K_contact的倒数，即：

α_contact＝1/K_contact (3)

轮轨相互作用力的计算公式为：

以此研究车轮、钢轨、轨道板的振动响应情况。进而基于轮轨耦合动力学、流固耦合理论，利用有限元-边界元耦合及数值分析等手段，建立高速铁路车轮-轨道振动噪声联合预测模型。对于预测得到的车轮、钢轨、轨道板的振动噪声以及三者联合的振动，研究轮轨区域的环评测点、垂向平面测点、横向平面测点的振动噪声的特性和变化规律。

步骤S220、建立轮轨区域流场的流体域模型，利用所述流体域模型得到流场内的空气动压力，根据所述空气动压力仿真得到轮轨区域的空气气动噪声。

对于气动噪声，基于气动声学、流致振动理论、涡声理论等，建立轮轨区域流场的流体域模型，为气动噪声计算时边界条件的设定的方便，将流体域模型的外表面导出并进行网格划分，分别为进口面、出口面、对称侧面、顶面、底面，因为进出口面与顶面、侧面都较为靠近钢轨，对于气动噪声的计算影响较大，划分网格时尽可能小，保证计算时空气域的网格尺寸小于声速v除以最高分析频率f_max值的十分之一至二十分之一。

构建气动噪声的空气域预测模型，将频域下的流场内的空气动压力导入所述气动噪声的空气域预测模型，仿真得到轮轨区域的空气气动噪声。

所述气动噪声的空气域预测模型的构建包括：首先选择合理的湍流模型(如大涡模拟、比例涡等)，流体材料默认选择空气，在之前设置的进口、出口、底部、上部、边界选择相应的流动面并进行了网格的划分，其中进口边界条件类型选择速度进口(velocity-inlet)，速度依照设定的列车运行速度，按照实际行车速度进行选取，如选取250km/h、300km/h、350km/h、400km/h等；出口边类型选择压力出口(pressure-outlet)；在建模的对称面上，在其类型选择设置为对称边界(symmetry)；而其他面上的边界条件类型均设置为流体不可通过的边界面(wall)。设置完毕后选择基于压力法的压力修正算法进行求解，计算步长根据最高分析频率倒数的1/2进行选取，如最高分析频率为5000Hz时，采样步长为0.0001s，计算结束后得到流场内的空气动压力下的时域结果。

再将上述空气动压力下的时域结果通过FFT变换得到频域下的流场内的空气动压。构建气动噪声的空气域预测模型，将频域下的流场内的空气动压力导入到气动噪声的空气域预测模型当中，仿真得到空气气动噪声的变化情况，即得到轮轨区域的空气气动噪声。

空气域中各点i的气动压力p_i与各点的气动噪声N_i间的相互关系如下式：

进而研究轮轨区域的气动噪声在环评测点、垂向平面测点、横向平面测点的特性和变化规律。

步骤S230、根据车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对高速铁路轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析。

近场噪声通过提取空气域中的各节点处的空气压力值进行换算后得到，远场噪声则基于声学无限元及数值插值的算法，首先根据近场计算结果获取空气域最外侧表面生成的无限元网格单元j处对应的空气压力p_j进行计算，通过设置无限元封闭面形成的几何体的质心位置得到空气域以外区域内各点i距离质心位置的距离r，通过选择适合的无限元边界插值阶次n，根据下式计算得到空气域以外各点i空气压力分布情况：

根据得到的空气压力值，利用式4计算得到该点的声压值。

本发明实施例提供的一种步骤S210中的高速铁路车轮—轨道振动噪声联合预测模型的示意图如图3所示，采用有限元分析软件，选择一段长为6.5m的无砟轨道进行建模，钢轨采用三维实体单元模拟，扣件系统采用弹簧阻尼单元模拟、轨道板采用三维实体单元模拟。利用对称性，有限元模型中仅仅包含一根钢轨和半块轨道板，并且通过在轨道板中间部位施加对称约束以及在下部轨道板结构结点进行全约束来模拟边界条件。

在施加轮轨相互作用力时，车轮和钢轨通过轨道接触界面处的动态作用力相互耦合。首先通过查阅相关规范及文献，确定预测中需要采用的轨道粗糙度谱r(w)，ω＝2πυ/λ为激励圆角频率，v为车辆速度，λ为粗糙度谱波长，则轮轨动态作用力可表示为：

式中：F_C为轮轨动态作用力，r为考虑轮轨接触滤波效应后的轮轨组合粗糙度谱，α_W、α_C、α_R分别为车轮导纳，轮轨垂向接触弹簧导纳和轮轨接触位置轨道系统导纳。通过将该轮轨作用力分别施加在钢轨及车轮接触点位置，利用所建立的车轮及轨道空间动力学模型，计算得到车轮及轨道各个节点处的动力响应，包括位移、速度及加速度。

仿真模拟的得到的结果

上述车轮—轨道振动噪声联合预测模型所选的相关轨道结构参数如下表所示：

对于建立的模型的网格划分主要重点在于控制好所施加荷载处即车轮以及钢轨处的有限元模型的网格划分质量以及数量，而对于扣件、轨道板以及下部结构的网格划分就不需要那么细致，这样有助于节省计算机的计算资源消耗以在于控制好所施加荷载处即车轮以及钢轨处的有限元模型的网格划分质量以及数量，而对于扣件模型计算时间，也能够更好地兼顾于板式无砟轨道的功能结构特点。将整个车轮模型离散为92673个节点，共有479352个单元网格，将钢轨模型离散为25125个结点，共有17800个单元网格，满足振动分析响应的质量要求。在振动分析模型的基础上，根据模型的最大单元尺寸的要求，边界元模型的单元最大尺寸不得大于0.012m，建立声辐射噪声模型。

图4为本发明实施例提供的一种轮轨区域流场的流体域模型示意图，在混凝土底座以下基础上的一端的对称面的最下方轴上建立半径4.25m的流体域模型，运用布尔运算，将流体域内的车轮体、钢轨、轨道板、底座和底座下基础全部舍去，只留下纯流体域模型。将流体域模型的外表面导出并进行网格划分，分别为进口面、出口面、对称侧面、顶面和底面，因为进出口面与顶面、侧面都较为靠近钢轨，对于气动噪声的计算影响较大，划分网格时尽可能小，在这取面上的最小网格尺寸为0.01m，网格类型取三角，而其他面为节约计算资源，只取最小网格尺寸为0.5m，网格类型取三角。对于钢轨、车轮的空气接触面的网格划分，取面上的最小网格尺寸为0.01m，网格类型取三角，基于所建立的各流体域气动噪声的边界面以及将所建立的钢轨车轮外表面空气接触面面组合进行3D体网格的划分。

图5为本发明实施例提供的一种两扣件跨中处的钢轨振动位移导纳示意图，如图5所示，在钢轨处施加一单位简谐荷载，此时激励点处于两扣件中间上方。利用谐响应分析功能计算钢轨的振动位移响应，分别提取距离激励点1、2、3个扣件间距处的钢轨轨顶的位移导纳结果，分析钢轨振动沿纵向的传递特性。从整体上看来，钢轨位移导纳幅值随着频率的增大而不断减小；而沿着钢轨纵向，随着距离激励点距离的不断增加，钢轨轨顶的位移导纳幅值均有一定的逐渐衰减，且可以明显看出在低频时，钢轨振动沿纵向的衰减较为明显，而高频时钢轨振动沿纵向的衰减较小。

基于以上的200km/h、250km/h、300km/h、350km/h列车运行速度下轮轨系统的振动位移响应结果，分别对各种列车运行速度下的轮轨周边区域的声场中的不同高度和不同距离处测点的声压级、1/3倍频程声压级以及A计权声压级进行统计分析。对于轮轨区域的近场噪声分析每个列车运行速度下共放置8个观测点用于观测其噪声变化值，8个观测点在线路旁摆放位置如图6所示。其中，测点1、2是根据《GB/T 5111-2011》对于声学的轨道机车车辆发射噪声测量传声器位置放置的一般要求，将传声器置于距离钢轨7.5m、距轨顶面以上1.2m±0.2m。测点1便是距钢轨底面高1.376m，横向距轨7.5m处的观测点，测点2是距钢轨底面高1.376m，横向距两轨中心轴线1.5m处的观测点。噪声观测点1、2是环境评价指标测量点，对于两点分别采用不同列车运行速度下的A计权声压级进行噪声评价，测点3、4、5、6这四个点是横向距两轨中心轴线1m处的处于同一横截面上的观测点，常常将噪声检测仪器置于横向距两轨中心轴线1m处进行观测。在竖直垂向高度上，测点3距离距钢轨底面高0.976m，测点4距离距钢轨底面高0.576m，测点5距离距钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上，测点6距离距钢轨底面高0.088m即在轨腰面的高度上。测点7、8这两个观测点是纵向钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上的,而观测点5也处于该平面上。观测点7水平距离在距两轨中心轴线7.5m处，与环评测点1同纵面；观测点8水平距离在距轨1.5m处，与环评测点2同纵面；观测点5、7、8组成一组点用于观测不同列车运行速度下横向截面的测点噪声的变化情况。

图7、8反映的是环评测点1与2在不同的列车运行速度下的随着频率化的振动噪声A计权声压级变化图。从整体上分析，测点1与2的整体趋势较为相同，都是呈现先从低频的振动噪声A计权声压级零点慢慢升高到1000Hz左右频率的振动噪声A计权声压级最高峰值，此后，随着频率的不断增大，A计权声压级值不断减小，且从图上可以看出减小的速率较之之前增长的速率更大。在整体趋势上，列车运行速度的变化对其影响不大，反而对比两测点来说，横向距离钢轨的距离远近对于整体趋势上的影响更大。

图9反映列车在350km/h的运行速度下的轮轨区域的垂向平面振动噪声声压级，选取观测点3、4、5、6，从整体趋势上来说，都是呈现先从低频的振动噪声声压级慢慢升高到2400Hz左右频率的振动噪声声压级最高峰值，此后，随着频率的不断增大，噪声声压级值不断减小。且彼此间的声压级差值没有较大的变化，整体曲线比较接近。

图10反映的是轮轨区域横向平面振动噪声分析，选取的是列车在350km/h的运行速度下的轮轨区域振动噪声分析的横向平面是与轨顶面平齐的平面，选取观测点5、7、8，从整体上分析，测点之间的整体趋势较为相同，都是呈现先从低频的振动噪声声压级零点慢慢升高到振动噪声声压级最高峰值，此后，随着频率的不断增大，声压级值不断减小。

对轮轨区域气动噪声频域特性分析，为了便于观测以及方便对比振动噪声与气动噪声在轮轨系统区域内噪声的变化情况，轮轨区域气动噪声观测点的选取与振动噪声的观测点保持一致，基于以上的200km/h、250km/h、300km/h、350km/h列车运行速度下轮轨系统的轮轨近场气动噪声进行研究。

图11、12反映的是环评测点1与2在不同的列车运行速度下的随着频率化的气动噪声A计权声压级变化图。从整体曲线的走向趋势上来看，测点1与2的整体趋势较为相同，都是呈现先从低频的振动噪声A计权声压级升高到某一频率的气动噪声A计权声压级最高峰值，此后，随着频率的不断增大，A计权声压级值不断减小。且从图11、12上可以看出，与振动噪声类似，减小的速率较之前增长的速率更大，不同速度下的A计权声压级走向趋势十分相似。

图13反映列车在350km/h的运行速度下的轮轨区域的垂向平面振动噪声声压级，选取观测点3、4、5、6，从整体趋势上来说，轮轨区域的气动噪声在低频区域时就已经是声压级最高峰值，然后随着频率的升高，其气动噪声的声压级慢慢衰减，测点3、4、5、6都呈现了这样的规律。且彼此间的声压级差值没有较大的变化，整体曲线比较接近。

图14反映的是轮轨区域横向平面振动噪声分析，选取的是列车在350km/h的运行速度下的轮轨区域振动噪声分析的横向平面是与轨顶面平齐的平面，选取观测点5、7、8，从整体上分析，测点之间的整体趋势较为相同，都是呈现先在低频时就已经是气动噪声声压级最高峰值，然后随频率增大逐渐减小。

图15反映的是在250km/h列车运行速度下的轮轨区域位于测点1进行振动噪声及气动噪声统计的噪声成分比例情况，表现出在低频情况下噪声主要以气动噪声为主，在高频情况下噪声主要以振动噪声为主且高频下气动噪声的比例极小接近于0。

综上所述，本发明实施例通过建立高速铁路无砟轨道轮轨振动有限元模型，使用谐响应分析方法可对无砟轨道振动频域内的垂、纵向传递特性进行分析；通过对时域响应进行傅里叶变换和三分之一倍频变换，可进一步从频域角度对高速列车荷载作用下无砟轨道振动特性进行研究；建立高速铁路无砟轨道轮轨区域振动噪声分析模型，通过对时域响应进行傅里叶变换和三分之一倍频变换得到振动噪声的频域结果进行噪声分析；建立高速铁路无砟轨道轮轨区域气动噪声分析模型，通过FFT变换将得到的时域空气动压力转换为频域下的空气动压力，对得到的空气气动噪声进行傅里叶变换和三分之一倍频变换得到气动噪声的声压级进行分析，实现了高速铁路轮轨区域振动及噪声分析的联合分析，弥补了以往单一振动、振噪或气噪特性分析的不足，为高速铁路振动及噪声的分析提供了一种更加科学、合理的方法。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于流固耦合的高速铁路轮轨区域振动及噪声分析方法，其特征在于，包括：

根据高速铁路的车轮、钢轨、轮轨的振动导纳和联合粗糙度计算出轮轨相互作用力，根据所述轮轨相互作用力基于流固耦合构建车轮—轨道振动噪声联合预测模型，利用所述车轮—轨道振动噪声联合预测模型预测得到车轮、钢轨、轨道板的振动噪声；

根据所述车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析；所述的根据所述空气动压力仿真得到轮轨区域的空气气动噪声，包括：

所述气动噪声的空气域预测模型的构建包括：选择湍流模型，流体材料默认选择空气，在之前设置的进口、出口、底部、上部、边界选择相应的流动面并进行了网格的划分，其中进口边界条件类型选择速度进口，速度依照实际行车速度进行选取，出口边类型选择压力出口，在建模的对称面上，在其类型选择设置为对称边界，而其他面上的边界条件类型均设置为流体不可通过的边界面，设置完毕后选择基于压力法的压力修正算法进行求解，计算步长根据最高分析频率倒数的1/2进行选取，计算结束后得到流场内的空气动压力下的时域结果；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车轮、钢轨和轮轨的振动导纳的计算方法包括：

通过分别在钢轨及车轮上的某一点j点施加作用力F_j，利用谐响应分析法计算车轮及钢轨在加载点处的位移响应D_j，则车轮及钢轨加载点处的振动导纳

分别通过下式进行计算：

轮轨接触导纳α_contact轮轨接触刚度K_contact的倒数，即：

α_contact＝1/K_contact (3)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车轮—轨道振动噪声联合预测模型采用有限元分析软件选择无砟轨道进行建模，钢轨采用三维实体单元模拟，扣件系统采用弹簧阻尼单元模拟，轨道板采用三维实体单元模拟，所述车轮—轨道振动噪声联合预测模型中包含一根钢轨和半块轨道板，并且通过在轨道板中间部位施加对称约束以及在下部轨道板结构结点进行全约束来模拟边界条件。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的构建轮轨区域流场的流体域模型，包括：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析，包括：

通过设置无限元封闭面形成的几何体的质心位置得到空气域以外区域内各点i距离质心位置的距离r，通过选择适合的无限元边界插值阶次n，根据下式计算得到空气域以外i处对应的空气压力p_i：

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的根据所述车轮、钢轨、轨道板的振动噪声和轮轨区域的空气气动噪声，基于流固耦合理论对轮轨区域的近场噪声和远场噪声进行声源贡献分析，包括：

对于轮轨区域的近场噪声分析，每个列车运行速度下共放置8个观测点用于观测列车的噪声变化值，每个观测点设置一个传声器，8个观测点在线路旁摆放位置包括；测点1、2是根据《GB/T 5111-2011》对于声学的轨道机车车辆发射噪声测量传声器位置放置的要求，将传声器置于距离钢轨7.5m、距轨顶面以上1.2m±0.2m，观测点1、2是环境评价指标测量点，对于两点分别采用不同列车运行速度下的A计权声压级进行噪声评价，测点3、4、5、6这四个点是横向距两轨中心轴线1m处的处于同一横截面上的观测点，在竖直垂向高度上，测点3距离距钢轨底面高0.976m，测点4距离距钢轨底面高0.576m，测点5距离距钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上，测点6距离距钢轨底面高0.088m即在轨腰面的高度上，测点7、8这两个观测点是纵向钢轨底面高0.176m即在轨顶面的高度上的,而观测点5也处于该平面上，观测点7水平距离在距两轨中心轴线7.5m处，与环评测点1同纵面；观测点8水平距离在距两轨中心轴线1.5m处，与环评测点2同纵面；观测点5、7、8组成一组点用于观测不同列车运行速度下横向截面的测点噪声的变化情况。