CN114036764B - 一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道交通减振技术领域，公开的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，选用正交试验的方法进行筛选，选定目标频率段f，通过周期结构波阻板的结构参数和材料参数构造正交试验的因素和水平，进而由方案L50(511)得到50组不同的试验，分别对50组不同的试验结果进行计算得到带隙，带隙范围与目标频率段f存在交集者保留，否则忽略。通过上述筛选方法，一方面简化了试验复杂程度，另一方面，通过11个包含周期结构波阻板结构和材料的因素构成试验方案，使方案具有代表性，试验结果具有准确性，得到的周期结构波阻板能够更准确地阻隔目标频率。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通减振技术领域，具体涉及一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法。
背景技术
近年来，我国轨道交通建设发展迅猛。城市轨道交通带动区域经济发展的同时，诱发的场地振动，可致使人的工作、生活质量下降，甚至影响身心健康；可致使工程结构薄弱部位耐久性降低、甚至损伤；可致使暴露其中的振动敏感设备无法正常工作。这些振动危害导致居民投诉逐年增多，地铁线路改线，居民区和实验室搬迁，大大增加了建设成本和时间，轨道交通环境振动控制刻不容缓。
波阻板由于尺寸小、施工方便，造价低等特点，适合用于地铁环境振动隔振。但波阻板受地基土层截止频率的制约，仅对低频振动有隔振效果且隔振频带窄。然而，地铁振动频率成分较为复杂，扣件上的竖向振动属于宽频振动，在500Hz范围内均有分布；衬砌半高处竖向振动峰值位于35Hz附近，横向振动则位于50～75Hz内，地铁列车地面振动的主要频率成分为50～80Hz。传统波阻板由于仅对低频振动有隔振效果，已无法满足地铁交通振动的隔振需求。
由此可见，现有技术有待于进一步地改进和提高。
发明内容
为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，或至少提供一种有益的选择，本发明提供一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，以使所得波阻板能够对特定目标频率隔离减振，针对地铁列车的应用场景更广，隔振效果更好。
本发明所采用的技术方案为：
一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，选用正交试验的方法进行筛选，包括以下步骤：
S1：确定目标频率段f，目标频率段f的范围由地铁列车运行中引起的振动波在土体传播时所集中的主要频率段而决定；
S2：选取结构参数和材料参数作为正交试验的因素，其中，所述结构参数包括构成包覆层的周期常数A、布置形状B、包覆层材料C、填充材料D、包覆层外径E和内径F；所述材料参数包括填充材料密度G、包覆层材料密度H、填充材料弹性模量I、包覆层材料弹性模量J、包覆层材料泊松比K，总计11项因素；
S3：确定正交试验方案，对11项因素各选取5种情况作为水平，进而设计为L50(511)的正交试验方案；
S4：开始正交试验，由方案L50(511)得到50组不同的试验，分别形成试验1、试验2、…、试验50；
S5：分别计算试验1、试验2、…、试验50的带隙，得到对应的带隙f1、f2、f3、...、f50；定义fi＝f(x1、x2、…、x11)，i＝[1,50]，其中，x1、x2、…、x11分别代表参与试验的11项因素；
S6：分析判断各试验得到的带隙范围fi与目标频率段f的关系,若 则保留该试验方案并作为周期结构波阻板优选设计方案之一；若则忽略该试验方案；
S7：基于正交试验筛选的试验方案来配置周期结构波阻板，并根据应用现场的实际情况决定周期结构波阻板的埋深。
本发明中所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法还具有下述附加技术特征：
所述S3中，对于所述周期常数A所选取的水平分别为0.29、0.30、0.31、0.32、0.33m；对于所述布置形状B所选取的水平分别为正方形、六边形、正方形、六边形、六边形；对于所述包覆层材料C所选取的水平分别为PVC管、钢管、橡胶管、铜管、环氧树脂管；对于所述填充材料D所选取的水平分别为Duxseal、混凝土、粉质黏土、覆土、不填充；所述包覆层外径E所选取的水平分别为0.10、0.11、0.12、0.13、0.14m；所述包覆层内径F所选取的水平分别为0.08、0.09、0.10、0.11、0.12m；所述填充材料密度G所选取的水平分别为1650、2300、2023、1900、0kg/cm3；所述包覆层材料密度H所选取的水平分别为1350、7780、1300、8950、1180kg/cm3；所述填充材料弹性模量I所选取的水平分别为8e6、30e9、0.289e9、0.117e9、4.35e9Pa；所述包覆层材料弹性模量J所选取的水平分别为3.5e9、210.6e9、1.175e5、164.6e9、0Pa；所述包覆层材料泊松比K所选取的水平分别为0.38、0.3、0.467、0.093、0.368。
从各所述因素的水平中随机选取一个作为试验因子，将11个所述因素对应选取的11个所述试验因子组合形成一组正交试验方案。
所述S5中，对于不同组试验方案的带隙计算公式如下：
定义函数H(x,y)＝ei(kx-ωy)f(t)，其中，H(x,y)被定义为关于弹性波波矢的函数，k指代波矢，i为虚数单位，x、y为两不同方向的位置矢量，ω为角频率，f(t)被定义为周期函数；
定义F(T)为组元材料参数的傅里叶系数，其中，T指代倒格矢的模；当T＝nxb1+nyb2＝0，F(T)＝F(t1,t2,t3,t4)，其中，t1、t2、t3、t4分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数；当T＝nxb1+nyb2≠0，F(T)＝F(t11,t22,t33,t44)H(T)，其中，t11、t22、t33、t44分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数，H(T)被定义为与所述布置形状B、所述包覆层材料C有关的函数；
定义求解带隙的控制方程K(ω)，K(ω)＝K[H(x,y),F(T)]，将试验1、试验2、…、试验50各试验方案的所述结构参数和所述材料参数带入K(ω)，即可得到各试验方案所对应的带隙数值。
所述S7中，配置周期结构波阻板还需遵循以下设定：
所述包覆层在波阻板中平行埋入，布置为至少两层的结构，每层布置周期性排布的多个所述包覆层；所述包覆层的布置形状B为六边形时，以交叉排列的方式放置，布置形状B为正方形时，以均匀排列的方式放置。
最底层所述包覆层距所述周期结构波阻板底部的距离、各层所述包覆层之间的距离、最顶层所述包覆层距所述周期结构波阻板顶部的距离均为L，0.05≤L≤0.15m。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：
1.本发明选用正交试验的方法对周期结构波阻板的特征进行筛选，其中，针对地铁列车的应用场景设定目标频率段f，能够针对特定的场景筛选出波阻板特征的最优选集合，使后期周期结构波阻板应用场景下的隔振效果更优。
2.本发明设定正交试验中的因素为11种，这11种因素包含两个方面，即周期结构波阻板结构特征所构成的参数以及周期结构波阻板材料特征所构成的参数，因素构成了影响周期结构波阻板带隙范围分布的重要变量(包含物理变量和化学变量)，能够较全面的覆盖周期结构波阻板的特征参数；一方面，各具有5种水平的11种因素随机组合具有511个方案组合，本实验由方案L50(511)得到50组不同的试验，能够简化试验实施的繁琐程度，另一方面，50组方案具有一定代表性，所以试验得到的带隙数据也具有一定的代表性，将符合要求的波阻板参数方案保留并应用于实际场景中，能够使目标频率得到更好地隔离。
3.将正交试验计算得到的带隙数值与目标频率段f范围进行比对，当计算带隙与目标频率段f之间存在交集时，将实验方案保留，作为应用方案之一；当计算带隙与目标频率段f之间为空集时，忽略该试验方案；通过上述对比法，能够快速且准确地保留符合要求的试验方案，使试验结果具有可靠性。
4.本发明除了对正交试验中所设定的因素进行筛选限定，还规定了周期结构波阻板包覆层、填充材料的设置方式、以及对周期结构波阻板的宽度、厚度、埋深进行范围限定，进而得到了符合对目标频率隔离的周期结构波阻板，试验得到的周期结构波阻板提高了传统波阻板隔振减振频率宽度，有效解决了传统波阻板对中高频段的隔振效果较差的问题，同时突破了复合波阻板无法对截止频率外隔振减振的弊端；
通过周期结构波阻板独特的带隙特性，对透过带隙频率段内的振动波起到完全抑制作用，隔振减振性能大大加强；试验得到的周期结构波阻板成本相对较低但性价比高、结构布置简单、稳定耐久，并且适用于动力机器基础、轨道交通以及建筑施工等隔振减振领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一实施例中一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法的流程图。
图2为本发明一实施例中周期结构波阻板正交试验因素-水平表。
图3为本发明一实施例中周期结构波阻板正交试验的试验方案表。
图4为本发明一实施例中周期结构波阻板正交试验中某一试验方案所得到的频率分布图。
图5为本发明一实施例中交叉布置的周期结构波阻板的隔振示意图。
图6为本发明一实施例中交叉布置的周期结构波阻板的结构示意图。
图7为本发明另一实施例中均匀布置的周期结构波阻板的隔振示意图。
图8为本发明另一实施例中均匀布置的周期结构波阻板的结构示意图。
其中：
1-周期结构波阻板，2-包覆层，3-填充材料，4-基体材料。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面再结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
需说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施方式的限制。
具体采用以下实施方式：
如图1所示，本发明提供了一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，选用正交试验的方法进行筛选，包括以下步骤：
S1：确定目标频率段f，目标频率段f的范围由地铁列车运行中引起的振动波在土体传播时所集中的主要频率段而决定；
S2：选取结构参数和材料参数作为正交试验的因素，其中，所述结构参数包括构成包覆层的周期常数A、布置形状B、包覆层材料C、填充材料D、包覆层外径E和内径F；所述材料参数包括填充材料密度G、包覆层材料密度H、填充材料弹性模量I、包覆层材料弹性模量J、包覆层材料泊松比K，总计11项因素；
S3：确定正交试验方案，对各因素选取至少5种情况作为水平，进而设计为L50(511)的正交试验方案；
S4：开始正交试验，由方案L50(511)得到50组不同的试验，分别为试验1、试验2、…、试验50；
S5：分别计算试验1、试验2、…、试验50的带隙，得到对应的带隙f1、f2、f3、...、f50；定义fi＝f(x1、x2、…、x11)，i＝[1,50]，其中，x1、x2、…、x11分别代表参与试验的11项因素；
S6：分析判断各试验得到的带隙范围fi与目标频率段f的关系,若 则保留该试验方案并作为波阻板优选设计方案之一；若/> 则忽略该试验方案；
S7：基于正交试验筛选的试验方案来配置波阻板，并根据应用现场的实际情况决定周期结构波阻板的埋深。
下面对上述试验步骤进行解释：
根据地铁列车运行中引起的振动波在土体传播时所集中的主要频率段，本发明将目标频率段f设定为40～80Hz，即本发明设计的周期结构波阻板，将构造为主要对40～80Hz的频率进行隔离。
如图2所示，本发明选取了关于周期结构波阻板结构参数和材料参数的11种特征作为正交试验的因素，其中，结构参数包括构成包覆层的周期常数A、布置形状B、包覆层材料C、填充材料D、包覆层外径E和内径F；材料参数包括填充材料密度G、包覆层材料密度H、填充材料弹性模量I、包覆层材料弹性模量J、包覆层材料泊松比K。
对各因素选取5种情况作为水平：
对于周期常数A所选取的水平分别为0.29、0.30、0.31、0.32、0.33m；
对于布置形状B所选取的水平分别为正方形、六边形、正方形、六边形、六边形；
对于包覆层材料C所选取的水平分别为PVC管、钢管、橡胶管、铜管、环氧树脂管；
对于填充材料D所选取的水平分别为Duxseal、混凝土、粉质黏土、覆土、不填充；
对于包覆层外径E所选取的水平分别为0.10、0.11、0.12、0.13、0.14m；
对于包覆层内径F所选取的水平分别为0.08、0.09、0.10、0.11、0.12m；
对于填充材料密度G所选取的水平分别为1650、2300、2023、1900、0kg/cm3；
对于包覆层材料密度H所选取的水平分别为1350、7780、1300、8950、1180kg/cm3；
对于填充材料弹性模量I所选取的水平分别为8e6、30e9、0.289e9、0.117e9、4.35e9Pa；
对于包覆层材料弹性模量J所选取的水平分别为3.5e9、210.6e9、1.175e5、164.6e9、0Pa；
对于包覆层材料泊松比K所选取的水平分别为0.38、0.3、0.467、0.093、0.368。
从上述各因素的水平中随机选取一个作为试验因子，将11个因素对应选取的11个试验因子组合形成一组正交试验方案，进而形成了正交试验方案L50(511)。
由方案L50(511)得到50组不同的试验，分别形成试验1、试验2、…、试验50，如图3所示，罗列出了部分试验方案。
本发明构造带隙计算公式，以计算各组试验方案所对应的带隙结果，带隙计算公式如下：
定义函数H(x,y)＝ei(kx-ωy)f(t)，其中，H(x,y)被定义为关于弹性波波矢的函数，k指代波矢，i为虚数单位，x、y为两不同方向的位置矢量，ω为角频率，f(t)被定义为周期函数，周期函数可呈现周期结构波阻板的周期特征；
定义F(T)为组元材料参数的傅里叶系数，其中，T指代倒格矢的模；当T＝nxb1+nyb2＝0，F(T)＝F(t1,t2,t3,t4)，其中，t1、t2、t3、t4分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数；当T＝nxb1+nyb2≠0，F(T)＝F(t11,t22,t33,t44)H(T)，其中，t11、t22、t33、t44分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数，H(T)被定义为与布置形状B、包覆层材料C有关的函数；
定义求解带隙的控制方程K(ω)，K(ω)＝K[H(x,y),F(T)]，将试验1、试验2、…、试验50各试验方案的所述结构参数和所述材料参数带入K(ω)，即可得到各试验方案所对应的带隙数值。
通过上述求解带隙的控制方程K(ω)，可以得到关于频率分布的示意图，如图4所示，为其中一组试验方案所得到的频率分布图，可以看出56Hz～83Hz处的频率范围呈现带隙，表明本组试验方案对应的周期结构波阻板的隔离频率段范围(即带隙范围fi)为56Hz～83Hz。
将试验得到的带隙范围fi与目标频率段f进行比对，若 则保留该试验方案并作为周期结构波阻板优选设计方案之一；若/> 则忽略该试验方案。在图4指代的试验方案中，其带隙范围fi为56Hz～83Hz，与目标频率段f(40Hz～80Hz)存在交集，能够较为全面的覆盖目标频率段，因此保留该试验方案。
本发明对于周期结构波阻板1的配置还需遵循以下设定：
如图5至图8所示，周期结构波阻板1包括包覆层2、填充材料3、基体材料4，其中，包覆层2和填充材料3嵌入在基体材料4中。优选地，基体材料4为混凝土，混凝土强度等级选用C20～C30，隔振性能强。
包覆层2内填充有填充材料3，包覆层2在波阻板中平行埋入，布置为至少两层的结构，每层布置周期性排布的多个包覆层2，其中每层包覆层2呈周期性布置，布置周期a＝0.3m。周期结构波阻板1具有的带隙选择性，对透过带隙频率段内的振动波起到完全抑制作用；通过上述正交试验筛选法对周期结构波阻板1的带隙范围进行调控，以使最终配置成的周期性波阻板1具有对目标频率段频率阻隔的效果；并且实施成本低、性价比高、结构简单，稳定耐久，适用于动力机器、轨道交通、建筑等领域的减振场景中。
在一种实施例中，如图5和图6所示，包覆层2的布置形状B为六边形，各层之间的包覆层2以交叉排列的方式放置；在另一种实施例中，如图7和图8所示，包覆层2布置形状B为正方形，各层之间的包覆层2以均匀排列的方式放置。
最底层包覆层距周期结构波阻板1底部的距离、各层包覆层2之间的距离、最顶层包覆层距周期结构波阻板1顶部的距离均为L，0.05≤L≤0.15m。优选地，选取L＝0.1m。
周期结构波阻板1的宽度w，满足2≤w≤5m，以使隔震效果可以达到50％以上。优选地，选取w＝2.5m。
周期结构波阻板1的厚度h，满足0.5≤h≤0.75m。优选地，选取h＝0.55m。
周期结构波阻板1的埋深d，满足d≤1.9m，以使水平和竖向的隔振效果均可达到60％。优选地，选取d＝1.5m。
本发明所保护的技术方案，并不局限于上述实施例，应当指出，任意一个实施例的技术方案与其他一个或多个实施例中技术方案的结合，在本发明的保护范围内。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，选用正交试验的方法进行筛选，包括以下步骤：
S1：确定目标频率段f，目标频率段f的范围由地铁列车运行中引起的振动波在土体传播时所集中的主要频率段而决定；
S2：选取结构参数和材料参数作为正交试验的因素，其中，所述结构参数包括构成包覆层的周期常数A、布置形状B、包覆层材料C、填充材料D、包覆层外径E和内径F；所述材料参数包括填充材料密度G、包覆层材料密度H、填充材料弹性模量I、包覆层材料弹性模量J、包覆层材料泊松比K，总计11项因素；
S3：确定正交试验方案，对11项因素各选取5种情况作为水平，进而设计为L50(511)的正交试验方案；
S4：开始正交试验，由方案L50(511)得到50组不同的试验，分别形成试验1、试验2、…、试验50；
S5：分别计算试验1、试验2、…、试验50的带隙，得到对应的带隙f1、f2、f3、...、f50；定义fi＝f(x1、x2、…、x11)，i＝[1,50]，其中，x1、x2、…、x11分别代表参与试验的11项因素；
S6：分析判断各试验得到的带隙范围fi与目标频率段f的关系,若 则保留该试验方案并作为周期结构波阻板优选设计方案之一；若则忽略该试验方案；
S7：基于正交试验筛选的试验方案来配置周期结构波阻板，并根据应用现场的实际情况决定周期结构波阻板的埋深。
2.根据权利要求1所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，所述S3中，对于所述周期常数A所选取的水平分别为0.29、0.30、0.31、0.32、0.33m；对于所述布置形状B所选取的水平分别为正方形、六边形、正方形、六边形、六边形；对于所述包覆层材料C所选取的水平分别为PVC管、钢管、橡胶管、铜管、环氧树脂管；对于所述填充材料D所选取的水平分别为Duxseal、混凝土、粉质黏土、覆土、不填充；所述包覆层外径E所选取的水平分别为0.10、0.11、0.12、0.13、0.14m；所述包覆层内径F所选取的水平分别为0.08、0.09、0.10、0.11、0.12m；所述填充材料密度G所选取的水平分别为1650、2300、2023、1900、0kg/cm3；所述包覆层材料密度H所选取的水平分别为1350、7780、1300、8950、1180kg/cm3；所述填充材料弹性模量I所选取的水平分别为8e6、30e9、0.289e9、0.117e9、4.35e9Pa；所述包覆层材料弹性模量J所选取的水平分别为3.5e9、210.6e9、1.175e5、164.6e9、0Pa；所述包覆层材料泊松比K所选取的水平分别为0.38、0.3、0.467、0.093、0.368。
3.根据权利要求1或2所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，从各所述因素的水平中随机选取一个作为试验因子，将11个所述因素对应选取的11个所述试验因子组合形成一组正交试验方案。
4.根据权利要求1所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，所述S5中，对于不同组试验方案的带隙计算公式如下：
定义函数H(x,y)＝ei(kx-ωy)f(t)，其中，H(x,y)被定义为关于弹性波波矢的函数，k指代波矢，i为虚数单位，x、y为两不同方向的位置矢量，ω为角频率，f(t)被定义为周期函数；
定义F(T)为组元材料参数的傅里叶系数，其中，T指代倒格矢的模；当T＝nxb1+nyb2＝0，F(T)＝F(t1,t2,t3,t4)，其中，t1、t2、t3、t4分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数；当T＝nxb1+nyb2≠0，F(T)＝F(t11,t22,t33,t44)H(T)，其中，t11、t22、t33、t44分别代表关于材料参数λ、μ、ρ及填充率的函数，H(T)被定义为与所述布置形状B、所述包覆层材料C有关的函数；
定义求解带隙的控制方程K(ω)，K(ω)＝K[H(x,y),F(T)]，将试验1、试验2、…、试验50各试验方案的所述结构参数和所述材料参数带入K(ω)，即可得到各试验方案所对应的带隙数值。
5.根据权利要求1所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，所述S7中，配置周期结构波阻板还需遵循以下设定：
所述包覆层在波阻板中平行埋入，布置为至少两层的结构，每层布置周期性排布的多个所述包覆层；所述包覆层的布置形状B为六边形时，以交叉排列的方式放置，布置形状B为正方形时，以均匀排列的方式放置。
6.根据权利要求5所述的一种对目标频率隔离的周期结构波阻板的筛选及配置方法，其特征在于，最底层所述包覆层距所述周期结构波阻板底部的距离、各层所述包覆层之间的距离、最顶层所述包覆层距所述周期结构波阻板顶部的距离均为L，0.05≤L≤0.15m。
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