CN112541289B - 一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，包括以下步骤：S1、建立铝型材结构有限元模型；S2、计算弹性模量Ex和泊松比νx；S3、计算弹性模量Ey；S4、计算剪切模量Gxy；S5、计算剪切模量Gxz；S6、计算剪切模量Gyz；S7、计算等效密度ρeq；S8、建立声振等效模型；本发明中的建模方法可快速精确地模拟轨道车辆车体铝型材的声振特性：有限元模型和声振等效模型在100～3150Hz的隔声量规律一致，平均误差仅为1.6dB，且相比于有限元模型，声振等效模型可缩短90％的计算时间，从而提高了轨道车辆车体铝型材的声振性能研究效率。

Description

一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法
技术领域
本发明涉及型材技术领域，尤其涉及一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法。
背景技术
轨道交通是我国国民经济命脉，核心技术是安全、舒适、绿色和智能，其中噪声与振动(声振)对安全、舒适和绿色至关重要。铝合金挤压型材(铝型材)是轨道车辆的车体主体结构，研究铝型材结构的声振性能对于控制轨道车辆内部噪声十分关键。对于铝型材这种复杂结构，采用有限元模型计算可以反映实际结构的声振特性，但当计算频率增大时，很难平衡网格数量、计算频率、计算耗时三者之间的关系，一般只适合于小尺寸结构的低频计算，而轨道交通的车体铝型材结构尺寸大、截面形状复杂，且声振频率宽，使用有限元法直接计算不仅建模十分复杂，还会耗费大量时间，甚至无法计算。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种提高计算效率的轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，包括以下步骤：
S1、建立铝型材结构有限元模型；
将铝型材的宽度方向作为x轴，长度方向作为y轴,高度方向作为z轴，在铝型材的四边加载刚性单元；
S2、计算弹性模量Ex和泊松比νx；
在铝型材左、右两端的刚性单元上施加大小为Mx，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx1,下面板中心点在x轴方向的应变εx2,上面板中心点在y轴方向的应变εy1,下面板中心点在y轴方向的应变εy2；弹性模量Ex的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000021
泊松比νx的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000022
S3、计算弹性模量Ey；
在铝型材前、后两端的刚性单元上施加大小为My，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx3,下面板中心点在x轴方向的应变εx4,上面板中心点在y轴方向的应变εy3,下面板中心点在y轴方向的应变εy4；弹性模量Ey的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000023
S4、计算剪切模量Gxy；
在铝型材左、右两端的刚性单元上施加大小为Mxy，方向相反的扭矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在xy轴方向的剪切应变γxy1，下面板中心点在xy轴方向的剪切应变γxy2；剪切模量Gxy的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000024
S5、计算剪切模量Gxz；
在铝型材左端的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴正方向的力，同时施加大小为M1＝Qxlw/2，方向为y轴负方向的力矩；在铝型材右端的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴负方向的力，同时施加大小为M1，方向为y轴负方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在x轴方向的位移δx，定义A点的x坐标与下面板中心点距离为Δx，A点的y坐标和z坐标与下面板中心点相同，点A在z轴方向的位移为δAz；剪切模量Gxz的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000031
S6、计算剪切模量Gyz；
在铝型材前端的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴正方向的力，同时施加大小为M2＝Qylw/2，方向为x轴正方向的力矩；在铝型材后端的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴负方向的力，同时施加大小为M2，方向为x轴正方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在y轴方向的位移δy,定义B点的y坐标与下面板中心点距离为Δy，B点的x坐标和z坐标与下面板中心点相同,点B在z轴方向的位移为δBz；剪切模量Gyz的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000032
S7、计算等效密度ρeq；
在有限元软件中读取铝型材的质量m，计算等效密度ρeq，等效密度ρeq的计算公式为：
Figure BDA0002837069280000033
S8、建立声振等效模型；
在有限元软件中建立宽度为w，纵向长度为l的二维板件模型，对其划分网格后，加载步骤S2至S7计算得到的弹性模量Ex、泊松比νx、弹性模量Ey、剪切模量Gxy、剪切模量Gxz、剪切模量Gyz、等效密度ρeq作为二维板件模型的材料参数，即得到声振等效模型。
进一步的，将步骤S8中得到的声振等效模型导入声振特性计算软件，加载声源、力源，设置计算频率后即可进行声振特性分析。
进一步的，所述声振特性计算软件为LMS Virtual.lab Acoustics、ESI VA One、COMSOL Multiphysic、ANSYS、Actran中的一种。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明公开了一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，可实现大尺寸、复杂截面、宽频特征的铝型材结构声振特性的便捷化建模以及快速精确计算；其首先根据铝型材结构的实际截面尺寸建立有限元模型，接着基于考虑剪切变形的小饶度理论，进行不同受力状态下的静态分析，然后结合静态分析的结果，计算不同方向的等效弹性模量，剪切模量和泊松比；最后将铝型材结构等效为正交各向异性板，并对其声振特性进行快速计算分析；仿真计算结果表明，本发明中的建模方法可快速精确地模拟轨道车辆车体铝型材的声振特性：有限元模型和声振等效模型在100～3150Hz的隔声量规律一致，平均误差仅为1.6dB，且相比于有限元模型，声振等效模型可缩短90％的计算时间，从而提高了轨道车辆车体铝型材的声振性能研究效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为铝型材与正交各向异性板的转换示意图；
图2为有限元模型和声振等效模型的仿真计算结果对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1、图2所示，本实施例公开了一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，其结合铝型材结构的实际截面尺寸建立有限元模型，基于考虑剪切变形的小饶度理论，进行不同受力状态下的静态分析，结合静态分析的结果，计算不同方向的等效弹性模量，剪切模量和泊松比，即可将铝型材结构等效为正交各向异性板。两者的等效转换示意图如图1所示。
等效前后铝型材的几何尺寸(宽度为w，纵向长度为l，高度为hf)不变。原铝型材由各向同性材料构成，物理特性可以用3个常数来表示：弹性模量E、剪切模量G和泊松比ν。等效后铝型材为均质正交各向异性板，板的物理特性可以用6个常数来表示：弹性模量Ex，Ey，剪切模量Gxy，Gxz，Gyz和泊松比νx。
步骤一：建立铝型材结构有限元模型；
将铝型材的宽度方向作为x轴，长度方向作为y轴,高度方向作为z轴，根据铝型材的截面形状和几何尺寸，利用有限元软件(例如Hypermesh)划分有限元网格并加载相应的材料属性，建立铝型材结构有限元模型，同时在铝型材的四边加载刚性单元，例如Hypermesh软件中的RBE3单元；
步骤二：计算弹性模量Ex和泊松比νx；
在铝型材左、右两端(即x轴方向两端)的刚性单元上施加大小为Mx，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx1,下面板中心点在x轴方向的应变εx2,上面板中心点在y轴方向的应变εy1,下面板中心点在y轴方向的应变εy2；
弹性模量Ex根据公式
Figure BDA0002837069280000061
计算得到；泊松比νx根据公式
Figure BDA0002837069280000062
计算得到。
步骤三：计算弹性模量Ey；
在铝型材前、后两端(即y轴方向两端)的刚性单元上施加大小为My，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx3,下面板中心点在x轴方向的应变εx4,上面板中心点在y轴方向的应变εy3,下面板中心点在y轴方向的应变εy4。
弹性模量Ey根据公式
Figure BDA0002837069280000063
计算得到。
步骤四：计算剪切模量Gxy；
在铝型材的左、右两端(即x轴方向两端)的刚性单元上施加大小为Mxy，方向相反的扭矩后，在有限元软件中进行静态分析，得到上、下面板中心点在xy轴方向的剪切应变γxy1和γxy2。
剪切模量Gxy根据公式
Figure BDA0002837069280000064
计算得到。
步骤五：计算剪切模量Gxz；
在铝型材左端(即x轴负方向的一端)的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴正方向的力，施加大小为M1＝Qxlw/2，方向为y轴负方向的力矩；在铝型材右端(即x轴正方向的一端)的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴负方向的力，施加大小为M1，方向为y轴负方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在x轴方向的位移δx，定义A点的x坐标与下面板中心点距离为Δx，y坐标和z坐标和下面板中心点相同，计算点A在z轴方向的位移δAz。
剪切模量Gxz根据公式
Figure BDA0002837069280000071
计算得到。
步骤六：计算剪切模量Gyz；
在铝型材前端(即y轴正方向的一端)的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴正方向的力，施加大小为M2＝Qylw/2，方向为x轴正方向的力矩；在铝型材后端(即y轴负方向的一端)的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴负方向的力，施加大小为M2，方向为x轴正方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在y轴方向的位移δy,定义B点的y坐标与下面板中心点距离为Δy，x坐标和z坐标和下面板中心点相同,计算点B在z轴方向的位移δBz。
剪切模量Gyz根据公式
Figure BDA0002837069280000072
计算得到。
步骤七：计算等效密度ρeq；
在有限元软件中直接读取铝型材的实际质量m，等效密度ρeq根据公式
Figure BDA0002837069280000073
计算得到。
步骤八：建立等效模型；
在有限元软件中建立宽度为w，纵向长度为l的二维板件模型，对其进行划分网格后，加载步骤二至步骤七计算得到的弹性模量Ex、泊松比νx、弹性模量Ey、剪切模量Gxy、剪切模量Gxz、剪切模量Gyz、等效密度ρeq作为二维板件模型的材料参数，即得到声振等效模型。
步骤九：计算声振特性；
将步骤八的等效模型导入声振特性计算软件，例如LMS Virtual.lab Acoustics，加载声源、力源，设置计算频率，进行声振特性分析。
另外，步骤S1～S8中的应变、位移、质量等中间结果，不仅可以通过有限元模型计算，也可以通过理论编程分析得到，或者试制铝型材样件，进行试验测试得到。
步骤九中的计算软件也可以是ESI VA One、COMSOL Multiphysics、ANSYS、Actran等其他商业软件，或者是通过理论编程计算也可以实现。
本发明可实现大尺寸、复杂截面、宽频特征的铝型材结构声振特性的便捷化建模以及快速精确计算。图2给出了某铝型材结构隔声量的计算结果，结果显示等效模型可精确模拟铝型材的声振特性。有限元模型和等效模型在100～3150Hz的隔声量规律一致，平均误差仅为1.6dB，且相比于有限元模型，等效模型可缩短90％的计算时间。

Claims (3)

1.一种轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、建立铝型材结构有限元模型；
将铝型材的宽度方向作为x轴，长度方向作为y轴,高度方向作为z轴，在铝型材的四边加载刚性单元；
S2、计算弹性模量Ex和泊松比νx；
在铝型材左、右两端的刚性单元上施加大小为Mx，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx1,下面板中心点在x轴方向的应变εx2,上面板中心点在y轴方向的应变εy1,下面板中心点在y轴方向的应变εy2；弹性模量Ex的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000011
泊松比νx的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000012
S3、计算弹性模量Ey；
在铝型材前、后两端的刚性单元上施加大小为My，方向相反的弯矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在x轴方向的应变εx3,下面板中心点在x轴方向的应变εx4,上面板中心点在y轴方向的应变εy3,下面板中心点在y轴方向的应变εy4；弹性模量Ey的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000013
S4、计算剪切模量Gxy；
在铝型材左、右两端的刚性单元上施加大小为Mxy，方向相反的扭矩，在有限元软件中进行静态分析，得到上面板中心点在xy轴方向的剪切应变γxy1，下面板中心点在xy轴方向的剪切应变γxy2；剪切模量Gxy的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000021
S5、计算剪切模量Gxz；
在铝型材左端的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴正方向的力，同时施加大小为M1＝Qxlw/2，方向为y轴负方向的力矩；在铝型材右端的刚性单元上施加大小为Qx，方向为z轴负方向的力，同时施加大小为M1，方向为y轴负方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在x轴方向的位移δx，定义A点的x坐标与下面板中心点距离为Δx，A点的y坐标和z坐标与下面板中心点相同，点A在z轴方向的位移为δAz；剪切模量Gxz的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000022
S6、计算剪切模量Gyz；
在铝型材前端的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴正方向的力，同时施加大小为M2＝Qylw/2，方向为x轴正方向的力矩；在铝型材后端的刚性单元上施加大小为Qy，方向为z轴负方向的力，同时施加大小为M2，方向为x轴正方向的力矩；固定约束下面板的中心点，在有限元软件中进行静态分析，计算上面板中心点在y轴方向的位移δy,定义B点的y坐标与下面板中心点距离为Δy，B点的x坐标和z坐标与下面板中心点相同,点B在z轴方向的位移为δBz；剪切模量Gyz的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000023
S7、计算等效密度ρeq；
在有限元软件中读取铝型材的质量m，计算等效密度ρeq，等效密度ρeq的计算公式为：
Figure FDA0002837069270000031
S8、建立声振等效模型；
在有限元软件中建立宽度为w，纵向长度为l的二维板件模型，对其划分网格后，加载步骤S2至S7计算得到的弹性模量Ex、泊松比νx、弹性模量Ey、剪切模量Gxy、剪切模量Gxz、剪切模量Gyz、等效密度ρeq作为二维板件模型的材料参数，即得到声振等效模型。
2.如权利要求1所述的轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，其特征在于：将步骤S8中得到的声振等效模型导入声振特性计算软件，加载声源、力源，设置计算频率后即可进行声振特性分析。
3.如权利要求2所述的轨道车辆车体铝型材结构的声振等效建模方法，其特征在于：所述声振特性计算软件为LMS Virtual.lab Acoustics、ESI VA One、COMSOL Multiphysic、ANSYS、Actran中的一种。
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