CN112477894A - 车体铝合金型材降噪结构、降噪设计方法及车体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车体铝合金型材降噪结构、降噪设计方法及车体。其中，车体铝合金型材降噪结构包括：间隔相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮，连接在所述第一蒙皮和所述第二蒙皮之间的多个斜筋，以及由所述第一蒙皮、所述第二蒙皮和所述斜筋围成的空腔，所述空腔中穿设有吸声结构，所述吸声结构包括由弹性吸声材料制成的弹性吸声体以及包裹在所述弹性吸声体外的包装膜，通过抽真空使得所述包装膜与所述弹性吸声体压缩形成压缩件。本发明解决了现有技术中车体隔声性能不足的缺陷，实现了轻量化的同时，有效降低了车内噪声。

Description

车体铝合金型材降噪结构、降噪设计方法及车体
技术领域
本发明涉及轨道车辆技术领域，尤其涉及一种车体铝合金型材降噪结构、降噪设计方法及车体。
背景技术
轨道车辆(尤其是城轨车辆)的快速发展，其运行速度已经从60-80km/h提升到了120～160km/h，速度的提升带来的噪声问题，严重影响乘客的乘坐舒适性。由于整车平台的轻量化设计要求，导致现有轨道车辆车体结构隔声不足，断面隔声量相比动车组的隔声量低6～10dB，现有的车体型材在低频段其整体刚度大，但是在中高频段由于斜筋与蒙皮所形成的三角结构容易在蒙皮中导致局部模态，使得其结构整体隔声曲线在中高频出现独有的吻合频率段，导致其隔声量始终维持在30dB左右，严重影响了断面隔声。
发明内容
本发明提供一种车体铝合金型材降噪结构，用以解决现有技术中车体隔声性能不足的缺陷，实现轻量化的同时，有效降低车内噪声。
本发明提供一种车体铝合金型材降噪结构，包括：间隔相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮，连接在所述第一蒙皮和所述第二蒙皮之间的多个斜筋，以及由所述第一蒙皮、所述第二蒙皮和所述斜筋围成的空腔，所述空腔中穿设有吸声结构，所述吸声结构包括由弹性吸声材料制成的弹性吸声体以及包裹在所述弹性吸声体外的包装膜，通过抽真空使得所述包装膜与所述弹性吸声体压缩形成压缩件。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述弹性吸声体为由改性聚氨酯吸声材料制成的弹性吸声体。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述改性聚氨酯吸声材料的吸声系数NRC≥0.7。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述改性聚氨酯吸声材料的穿孔率为90％、密度为30～60kg/m3。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述包装膜采用PE膜。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述弹性吸声体的形状与对应安装的所述空腔形状相匹配，所述弹性吸声体的长度与所述空腔的长度一致。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，所述压缩件的至少一端设有引导部。
本发明还提供一种车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，包括如下步骤：
建立原始车体有限元模型；
对原始车体进行声-振隔声仿真分析，得到原始车体的隔声量和声-振辐射系数；
根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体型材的声学拓扑优化，其中，车体型材的声学拓扑优化包括调整车体型材上蒙皮、下蒙皮以及斜筋的厚度、斜筋的夹角参数，将隔声量和声-振辐射系数的吻合频率移至非设计频段。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，所述建立原始车体有限元模型，具体包括建立原始车体上设有降噪结构的各部件的有限元模型，其中，各部件包括地板、侧墙及车顶。
本发明还提供一种车体，包括上述所述的车体铝合金型材降噪结构。
本发明提供的车体铝合金型材降噪结构，通过抽真空使得包装膜与弹性吸声体压缩形成压缩件，以减小弹性吸声体的体积，相比于没有压缩的弹性吸声体，压缩后的弹性吸声体更容易穿过细长的空腔，在压缩件穿过空腔后，刺破包装膜，使得弹性吸声体恢复形变，与空腔的侧壁贴合，增加在车辆运行过程中，弹性吸声体的稳固性，避免出现晃动，而且弹性吸声体充满整个空腔，吸声效果也大大增强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的车体断面示意图；
图2是本发明提供的车体铝合金型材降噪结构的横截面局部示意图；
图3是在车体铝合金型材使用降噪材料的吸声系数-频率对应关系示意图；
图4是不同结构降噪效果对比图；
图5是车体铝合金型材中影响降噪效果的主要参数标注示意图；
图6中的(a)和(b)分别是隔声量与频率对应关系以及声振辐射系数与频率对应关系示意图；
图7是车体铝合金型材优化前后隔声量与频率对应关系示意图；
图8是原车体结构与优化后车体结构的降噪效果对比图。
附图标记：
1-1：地板； 1-2：侧墙； 1-3：车顶拐角；
1-4：车顶； 1-5：车窗； 1：上蒙皮；
2：下蒙皮； 3：斜筋； 4：空腔；
5：弹性吸声体； 6：包装膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图2描述本发明的车体铝合金型材降噪结构的实施例。
本发明提供一种车体铝合金型材降噪结构，如图2所示，包括：间隔相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮，连接在第一蒙皮和第二蒙皮之间的多个斜筋3，以及由第一蒙皮、第二蒙皮和斜筋3围成的空腔4。需要说明的是，第一蒙皮与第二蒙皮可以是上下间隔设置，也可以是左右间隔设置，需要根据第一蒙皮与第二蒙皮是安装在车体的具体部位来决定，例如，对于车体地板1-1，第一蒙皮与第二蒙皮上下间隔设置，对于侧墙1-2，则第一蒙皮与第二蒙皮是左右间隔设置。为了将第一蒙皮与第二蒙皮连接起来，形成一体结构，在第一蒙皮与第二蒙皮之间设置斜筋3，斜筋3在第一蒙皮与第二蒙皮之间按照一定规律排布，以使得相邻斜筋3与第一蒙皮、第二蒙皮围成的空腔4呈三角形空腔4。
为了起到降噪效果，进一步地，空腔4中穿设有吸声结构，吸声结构包括由弹性吸声材料制成的弹性吸声体5以及包裹在弹性吸声体5外的包装膜6，通过包装膜6对弹性吸声体5起到保护作用，此外，包装膜6的表面相比弹性吸声体5更光滑，阻力更小，更易穿过细长的三角形空腔4。需要说明的是，吸声结构采用弹性吸声材料制成，具有一定的变形量，从而更加能够适应空腔4的形状，实现与空腔4更加贴合。
值得一提的是，通过抽真空使得包装膜6与弹性吸声体5压缩形成压缩件，以减小弹性吸声体5的体积，相比于没有压缩的弹性吸声体5，压缩后的弹性吸声体5更容易穿过细长的空腔4，而且对于压缩前的弹性吸声体5的尺寸要求可以降低，例如压缩前的弹性吸声体5尺寸略大于空腔4的尺寸，由于压缩后的弹性吸声体5体积缩小，仍然可以顺利穿过细长的空腔4，当然，对于压缩前的弹性吸声体5尺寸与空腔4的尺寸一致，则压缩后的弹性吸声体5体积变得更小，也更容易穿过细长的空腔4。在压缩件穿过空腔4后，刺破包装膜6，使得弹性吸声体5恢复形变，与空腔4的侧壁贴合，增加在车辆运行过程中，弹性吸声体5的稳固性，避免出现晃动，而且弹性吸声体5充满整个空腔4，吸声效果也大大增强。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，弹性吸声体5为由改性聚氨酯吸声材料制成的弹性吸声体5，改性聚氨酯吸声材料为开孔泡沫，改性聚氨酯吸声材料的吸声系数NRC≥0.7。防火等级可满足DIN的S3、SR2、ST2等级，具有较高的防火等级。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，包裹改性聚氨酯吸声材料的包装膜6采用PE膜，其防火等级可满足DIN 5510的S3、SR2、ST2等级。
本实施例，PE膜包裹弹性吸声材料并进行封装形成组合件(下文所说的压缩件)，并进行按照30～60％的真空度进行抽真空操作，以压缩整体尺寸，以方便组合件能够穿过车体型材空腔4。弹性吸声材料表面的PE膜，除了上述优点，还可以防水防潮，避免水通过缝隙进入铝合金型材空腔4，导致存水而影响车辆安全和寿命。
本实施例的车体铝合金型材降噪结构，铝合金型材空腔4吸声优化采用聚氨酯吸声材料，预制成与空腔4形状相同且与车体型材的长度一致的原材料，并用PE膜包裹，封装成施工用材料组合件，该组合件在施工期间可方便的穿入车体型材的空腔4；且采用该方式施工期间不需要单独的干燥周期，单车施工时间可缩短1-2个工作日，节约费用成本。
本实施例在具有相同隔声性能的前提下，和喷涂阻尼浆的结构相比，结构整体质量降低约10％；和粘贴隔音垫的结构相比，结构整体质量降低约16％，有助于车辆整体的减重设计。
为了使得弹性吸声体5穿入空腔4后，能够与空腔4更好地匹配，根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，弹性吸声体5的形状与对应安装的空腔4形状相匹配，弹性吸声体5的长度与空腔4的长度一致。
本实施例中，改性聚氨酯吸声材料根据车体型材空腔4形状，可以做成比空腔4大或小的形状(该形状体积除以空腔4体积，称为穿孔率)，试验结果表明穿孔率为90％、密度为30～60kg/m3的降噪效果最优、成本较低，密度过大，容易导致产生声桥，密度过小降噪效果不佳。
在城轨地铁车辆噪声相对突出的400～1000Hz频段，改性聚氨酯吸声材料在该频段对应的吸声系数可以达到0.8以上，具有较为明显的吸声降噪效果，如图3所示。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构，压缩件的至少一端设有引导部，引导部可以为钢丝绳等硬质构件，通过在压缩件端部增加钢丝绳，方便压缩件穿过车体型材空腔4，且在穿过后，解除钢丝绳，并刺破PE膜解除压缩件的真空状态，使弹性吸声材料自然恢复到压缩前初始状态以便于较好的填充空腔4。
本实施例中，由于本实施例的吸声材料具有较好的吸声性能，在型材空腔4内填充吸声材料后，型材空腔4内的吸声得到有效改善，在400-1000Hz频段，可以到达0.8-0.9，当车外噪声经过车体的外蒙皮，进入型材空腔4内之后，声音被吸声材料大量的吸收，减少了能量进一步向车内的传递；由实验窗口条件下的隔声测试结果可知，降噪优化设计后的结构的隔声性能总体上比原结构提升4dB，特别是在400～1000Hz频段范围内可有效提高结构的隔声量3-8dB，如图4。
此外，本发明还提供一种车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，包括如下步骤：
建立原始车体全尺寸有限元模型。
对原始车体进行声-振隔声仿真分析，得到原始车体的隔声量和声-振辐射系数如图6所示，从图6可以看出，原车体结构隔声曲线在800Hz附近出现明显的吻合低谷、且在该频段的声-振辐射系数(振动能量转化为声能量的效率)最大，说明原车体结构在该频段附近出现明显的隔声量不足，影响车内噪声，需要做车体型材的声学优化。
根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体型材的声学拓扑优化，均衡安全性、轻量化和隔声指标，进行系统声学设计优化，其中，如图5所示，车体型材的声学拓扑优化包括调整车体型材上蒙皮1厚度t1、下蒙皮2厚度t2以及斜筋3的厚度tweb、斜筋3的夹角αweb等参数，图5中hcore为上蒙皮1与下蒙皮2之间的距离，将隔声量和声-振辐射系数的吻合频率移至非设计频段，实现车体型材的声学优化，隔声量可提高2～3dB(图7)，从图7可以看出，经过铝合金型材声学优化后，将影响隔声的吻合低谷移至3150Hz频段，极大改善了原有设计频段存在的隔声不足。
上述设计方法通过对原车体结构进行隔声测试分析，确定原有的隔声量水平，确定隔声相对较差的频段，如图5所示，通过对对车体型材的蒙皮、斜筋3的厚度、夹角等参数进行优化设计并兼顾轻量化的设计要求，通过仿真软件进行结构隔声量的计算分析，确定不同参数调整后的优化效果。该设计方法的优点是，原有的试验数据甚至是没有试验数据(无样件)进行声学仿真计算，拓扑优化铝合金型材的几何参数，进行声学性能优化仿真评估后，再进行样件制作，避免的样件制作的盲目性，大大降低设计制造成本，尤其是对新的铝合金型材进行设计优化，可大大降低成本。铝合金型材如果满足要求，则进行下一步的样件制作进行隔声测试，若不满足要求，则重新进行参数优化设计，确定最终的参数，然后再进行样件制作及隔声测试，最终达到结构优化后的整体隔声效果，如图8所示。
根据本发明提供的一种车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，建立原始车体有限元模型，具体包括建立原始车体上设有降噪结构的各部件的有限元模型，其中，各部件包括地板1-1、侧墙1-2及车顶1-4，也包括车顶拐角1-3，如图1所示，侧墙1-2除了车窗1-5处不设置降噪结构，其余部分均可以设置降噪结构。
本发明还提供一种车体，包括上述的车体铝合金型材降噪结构。本实施例的车体铝合金型材降噪结构主要安装在地板1-1区域、侧墙1-2区域以及车顶1-4区域，布置示意图如图1。
综上所述，本发明实施例针对车体型材隔声量不足的问题进行隔声设计优化，提出优化方法，在结构整体质量增加不明显的前提下，通过优化型材空腔4的吸声/隔声性能，设计一种具有高隔声量的车体降噪结构，改善原结构的隔声性能较差的缺点。通过基于仿真/试验，通过优化车体型材的蒙皮、斜筋3的厚度、夹角等参数来调整局部模态实现结构隔声优化的设计方法，为车体结构隔声优化、轻量化设计提供一种全新的设计思路和方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，包括：间隔相对设置的第一蒙皮和第二蒙皮，连接在所述第一蒙皮和所述第二蒙皮之间的多个斜筋，以及由所述第一蒙皮、所述第二蒙皮和所述斜筋围成的空腔，所述空腔中穿设有吸声结构，所述吸声结构包括由弹性吸声材料制成的弹性吸声体以及包裹在所述弹性吸声体外的包装膜，通过抽真空使得所述包装膜与所述弹性吸声体压缩形成压缩件。
2.根据权利要求1所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述弹性吸声体为由改性聚氨酯吸声材料制成的弹性吸声体。
3.根据权利要求2所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述改性聚氨酯吸声材料的吸声系数NRC≥0.7。
4.根据权利要求2所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述改性聚氨酯吸声材料的穿孔率为90％、密度为30～60kg/m3。
5.根据权利要求1所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述包装膜采用PE膜。
6.根据权利要求1所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述弹性吸声体的形状与对应安装的所述空腔形状相匹配，所述弹性吸声体的长度与所述空腔的长度一致。
7.根据权利要求1所述的车体铝合金型材降噪结构，其特征在于，所述压缩件的至少一端设有引导部。
8.一种车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
建立原始车体有限元模型；
对原始车体进行声-振隔声仿真分析，得到原始车体的隔声量和声-振辐射系数；
根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体型材的声学拓扑优化，其中，车体型材的声学拓扑优化包括调整车体型材上蒙皮、下蒙皮以及斜筋的厚度、斜筋的夹角参数，将隔声量和声-振辐射系数的吻合频率移至非设计频段。
9.根据权利要求8所述的车体铝合金型材降噪结构的降噪设计方法，其特征在于，所述建立原始车体有限元模型，具体包括建立原始车体上设有降噪结构的各部件的有限元模型，其中，各部件包括地板、侧墙及车顶。
10.一种车体，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的车体铝合金型材降噪结构。
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