基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通振動噪聲仿真預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預(yù)測方法，具體為：綜合考慮高架軌道交通中頻段（200~1000Hz）的橋梁噪聲和鋼軌噪聲；相比僅考慮鋼軌噪聲或橋梁噪聲的方法，噪聲預(yù)測精度高。該方法首先建立軌道-橋梁系統(tǒng)功率流模型，計算不同頻率的單位簡諧力作用在鋼軌上時輸入橋梁的功率和鋼軌的振動速度；然后，結(jié)合輪軌組合粗糙度譜，計算車輪-軌道-橋梁耦合系統(tǒng)下的輪軌接觸力譜，進而得到隨機輪軌力作用下橋梁和鋼軌的振動狀態(tài)；其后，分別建立橋梁和鋼軌聲輻射二維有限元-邊界元弱耦合模型，計算它們在不同頻率單位簡諧力作用下的振動功率和輻射聲場；最后，根據(jù)功率流方法獲得的實際振動功率和有限元-邊界元模型獲得的振動功率，按振動功率一致的原則，對單位力作用下的場點聲壓進行縮放，得到橋梁噪聲、鋼軌噪聲及它們的總噪聲。
【專利說明】基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通振動噪聲仿真預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于功率流振動計算模型和邊界元聲輻射計算模型的高架軌道交通橋梁和軌道噪聲綜合仿真預(yù)測方法，可應(yīng)用與城市軌道交通高架橋梁結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與聲環(huán)境評估，屬于軌道交通振動與噪聲領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著城市化進程的持續(xù)推進和經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市公共交通面臨的壓力日益增大。集經(jīng)濟、環(huán)保、節(jié)能、高效和安全于一體的軌道交通，是我國人口密集城市交通建設(shè)的最佳選擇。軌道交通高架線建設(shè)周期短、費用低，運營后維護便利，成為郊區(qū)線路的優(yōu)先考慮形式。但高架線路的噪聲污染重于地下線，已成為制約其發(fā)展的重要因素。
[0003]軌道交通噪聲包括輪軌噪聲、集電系統(tǒng)噪聲、空氣動力噪聲和橋梁結(jié)構(gòu)噪聲。對于中低頻噪聲，人們通常僅研究軌道噪聲，或者僅研究橋梁噪聲。實際上，在中低頻噪聲中，軌道噪聲和橋梁噪聲均占重要地位，因此，采用統(tǒng)一的方法對軌道噪聲和橋梁噪聲進行準(zhǔn)確、高效地預(yù)測至關(guān)重要，有效的預(yù)測方法也為有針對性的采取減振降噪措施提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預(yù)測方法，以實現(xiàn)計算橋梁和軌道在中頻區(qū)段的輻射噪聲，提高計算精度，適用于不同橋梁和軌道結(jié)構(gòu)類型。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預(yù)測方法，包括如下步
驟:
(1)確定軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測參數(shù)，所述噪聲預(yù)測參數(shù)包括車輛參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋梁參數(shù)、輪軌組合粗糙度譜及行車速度；
(2)根據(jù)眾多實測時A聲級下橋梁噪聲與鋼軌噪聲的峰值頻率，確定計算的頻率范圍為中頻；
(3)根據(jù)步驟(I)所選的軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測參數(shù)，建立橋梁結(jié)構(gòu)三維有限元模型，進行模態(tài)分析，得到橋梁模態(tài)信息；
(4)根據(jù)步驟(3)得到的橋梁模態(tài)信息以及步驟(I)得到的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立軌道-橋梁功率流數(shù)值模型，在跨中位置的軌道上作用不同頻率的單位簡諧力，計算結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，得到各頻率下的振動功率幅值?？紤]單節(jié)車輛長度范圍內(nèi)的車輪總數(shù)，根據(jù)功率疊加原理，計算單位長度橋梁、軌道的振動功率；根據(jù)車輪與軌道接觸點處的位移協(xié)調(diào)條件，結(jié)合步驟(I)得到的輪軌組合粗糙度譜，計算輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜，然后結(jié)合已算得的單位粗糙度下的橋梁和軌道振動功率，得到實際粗糙度激勵下的單位長度橋梁和軌道的隨機振動功率；(5)建立橋梁和軌道的二維有限元模型，分別進行橋梁模態(tài)分析、軌道模態(tài)分析并生成表面網(wǎng)格文件，根據(jù)橋梁模態(tài)分析和軌道模態(tài)分析分別進行單位簡諧力響應(yīng)振動計算，得到二維有限元模型諧響應(yīng)的表面振速。根據(jù)生成的表面網(wǎng)格文件建立包含橋梁與軌道的二維邊界元模型，以二維有限元模型諧響應(yīng)的表面振速作為聲學(xué)邊界條件，得到橋梁和軌道在單位簡諧力作用下的振動功率和場點聲壓；
(6)依照步驟(4)中的隨機振動功率和步驟(5)中的振動功率的關(guān)系，對邊界元模型計算出的橋梁和軌道輻射場點聲壓進行縮放，得到實際的聲壓，然后根據(jù)聲壓疊加原理計算軌道和橋梁的總輻射噪聲。
[0006]本發(fā)明中，所述步驟(3)中，橋梁結(jié)構(gòu)用三維實體單元模擬，二期恒載用質(zhì)量單元模擬，橋梁模態(tài)分析頻率范圍為中頻。
[0007]本發(fā)明中，所述步驟(4)中，軌道-橋梁功率流數(shù)值模型中，軌道用無限長歐拉梁模擬，軌道與橋梁之間的扣件用彈簧單元模擬，以彈簧力(包括回復(fù)力和阻尼力)為基本未知量建立軌道-橋梁系統(tǒng)力法方程。在鋼軌上某車輪位置作用豎向單位正弦荷載，各彈簧處的位移協(xié)調(diào)方程為
【權(quán)利要求】
1.基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲仿真預(yù)測方法，其特征在于具體步驟如下: (1)確定軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測參數(shù)，所述噪聲預(yù)測參數(shù)包括車輛參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋梁參數(shù)、輪軌組合粗糙度譜及行車速度； (2)根據(jù)眾多實測時A聲級下橋梁噪聲與鋼軌噪聲的峰值頻率，確定計算的頻率范圍為中頻； (3)根據(jù)步驟(1)所選的橋梁參數(shù)，建立橋梁結(jié)構(gòu)三維有限元模型，進行模態(tài)分析，得到橋梁模態(tài)信息； (4)根據(jù)步驟(3)得到的橋梁模態(tài)信息以及步驟(1)得到的軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立軌道-橋梁功率流數(shù)值模型，在跨中位置的軌道上作用不同頻率的單位簡諧力，計算結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，得到各頻率下的振動功率幅值；考慮單節(jié)車輛長度范圍內(nèi)的車輪總數(shù)，根據(jù)功率疊加原理，計算單位長度的橋梁、軌道振動功率；根據(jù)車輪與軌道接觸點處的位移協(xié)調(diào)條件，結(jié)合步驟(1)得到的輪軌組合粗糙度譜，計算輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜，然后結(jié)合已算得的單位粗糙度下的橋梁和軌道振動功率，得到實際粗糙度激勵下的單位長度橋梁和軌道的隨機振動功率； (5)建立橋梁和軌道的二維有限元模型，分別進行橋梁模態(tài)分析、軌道模態(tài)分析并生成表面網(wǎng)格文件，根據(jù)橋梁模態(tài)分析和軌道模態(tài)分析結(jié)果分別進行單位簡諧力響應(yīng)振動計算，得到二維有限元模型諧響應(yīng)的表面振速；根據(jù)生成的表面網(wǎng)格文件建立包含橋梁與軌道的二維邊界元模型，以二維有限元模型諧響應(yīng)的表面振速作為聲學(xué)邊界條件，得到橋梁和軌道在單位簡諧力作用下的振動功率和場點聲壓； (6)依照步驟(4)中的隨機振動功率和步驟(5)中的振動功率的關(guān)系，對邊界元模型計算出的橋梁和軌道輻射場點聲壓進行縮放，得到實際的聲壓，然后根據(jù)聲壓疊加原理計算軌道和橋梁的總輻射噪聲。
2.如權(quán)利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(3)中，橋梁結(jié)構(gòu)用三維實體單元模擬，二期恒載用質(zhì)量單元模擬，橋梁模態(tài)分析頻率范圍為中頻。
3.如權(quán)利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，軌道-橋梁功率流數(shù)值模型中，軌道用無限長歐拉梁模擬，軌道與橋梁之間的扣件用彈簧單元模擬，以彈簧力(包括回復(fù)力和阻尼力)為基本未知量建立軌道-橋梁系統(tǒng)力法方程，計算單位簡諧荷載作用下系統(tǒng)的振動速度及功率流。
4.如權(quán)利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在鋼軌上某車輪位置作用豎向單位正弦荷載，各彈簧處的位移協(xié)調(diào)方程為:S(?)F(?)+AJS(?) = -A(i2})F(<2j) 其中’力單位正弦荷載圓頻率；F(^)為未知彈簧力列向量；Ai O)為單位正弦荷載引起的彈簧壓縮位移列向量；SO)為結(jié)構(gòu)動柔度矩陣；Λζφ)為彈簧動柔度矩陣；解此方程可得各彈簧力尾M，《指第《個彈簧單元，進而求出各彈簧節(jié)點的位移；然后，根據(jù)位移和速度的關(guān)系，計算各彈簧的節(jié)點速度UCM，a為第《個彈簧單元的^節(jié)點。
5.如權(quán)利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，通過第《個彈簧輸入到各結(jié)構(gòu)的功率計算公式為:
6.如權(quán)利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在單位粗糙度激勵下，考慮多個輪子作用在鋼軌上的單位長度鋼軌振動功率的公式為
7.如權(quán)利要求3所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，在單位粗糙度激勵下，考慮多個輪子作用在鋼軌上的單位長度橋梁振動功率的公式為:
8.如權(quán)利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(4)中，輪軌組合粗糙度譜激勵下的輪軌豎向接觸力譜計算公式為:


9.如權(quán)利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(5)中，橋梁和軌道采用平面應(yīng)變單元模擬，網(wǎng)格尺寸小于最小聲波波長的1/10，以保證計算精度，基于模態(tài)疊加法分別求解橋梁和軌道的諧響應(yīng)，并求解出橋梁和軌道的振動功率，分別為^和》；213 ;將橋梁和軌道諧響應(yīng)作為它們的二維邊界元模型的聲學(xué)邊界條件，從而計算單位簡諧力下的軌道及橋梁聲輻射，并采用虛聲源法考慮地面反射，計算得到的橋梁輻射聲壓和軌道輻射聲壓分別為和e。
10.如權(quán)利要求1所述的基于功率流-邊界元模型的高架軌道交通噪聲預(yù)測仿真預(yù)測方法，其特征是:所述步驟(6)中，聲壓縮放系數(shù)為功率流模型算得的實際輪軌粗糙度激勵的結(jié)構(gòu)振動功率與邊界元模型算得的單位粗糙度激勵的振動功率的比值開根號，因此，隨機輪軌激勵下的橋梁、軌道噪聲預(yù)測表達(dá)式分別為:

【文檔編號】G06F17/50GK104036087SQ201410283268
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】勵吾千, 李奇, 吳定俊, 于貞波 申請人:同濟大學(xué)