邱曉磊 周勁松 馬敏納 李 卓
(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海;2.北京汽車股份有限公司汽車研究院,101300,北京//第一作者,碩士研究生)
近年來,低地板輕軌車輛以造價低廉、無需專用路段、無需站臺、上下客方便等優(yōu)點受到國內(nèi)專家的廣泛關(guān)注[1]。由于低地板輕軌列車并不設(shè)專用線路,可以與其他地面車輛共用道路,所以對其產(chǎn)生的噪聲有很高的限制要求。進行列車內(nèi)噪聲因素分析,對于改善旅客的乘車環(huán)境,提升低地板輕軌車輛的市場競爭力具有重要意義。
本文針對無內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的70%低地板輕軌車輛(頭車)的聲-固耦合系統(tǒng)[2]進行研究,運用動力學、有限元和聲學仿真軟件對車體進行噪聲和結(jié)構(gòu)分析,得到需要優(yōu)化的塊板件,為改善車體結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。
采用的整車車輛動力學模型如圖1所示,為3模塊編組,包含3 個轉(zhuǎn)向架(2 動1 拖),以及車體、構(gòu)架和輪對,車輛間通過鉸接連接。假設(shè)車體、構(gòu)架及輪對為剛性,車體間的鉸接關(guān)系用彈簧來模擬。
圖1 車體動力學模型
通過動力學仿真,模擬出該動力學模型車輛在美國六級軌道譜上運行時[3]二系懸掛與車體連接處的作用力和車體間連接的下鉸力??奢敵?2 個二系懸掛處X、Y、Z 方向作用力的時域信號、6 個下鉸處X、Y、Z 方向力的時域信號。
將所獲得的時域信號進行頻譜分析,截止頻率為100 Hz。下絞處縱向力的幅頻、相頻曲線如圖2、圖3所示。
圖2 下鉸處縱向力幅頻圖
圖3 下鉸處縱向力相頻圖
無內(nèi)裝70%低地板輕軌列車由車頭、側(cè)墻、端墻、車頂高地板、低地板等部分組成。在車身模型的二系懸掛連接處建立彈簧單元,剛度為一系和二系懸掛的串并聯(lián)總剛度。根據(jù)車身實際約束和加載情況,將動力學分析所得的各作用力的頻域幅值和相位作為激勵,加載至相應(yīng)位置。車體有限元模型及邊界條件如圖4所示。圖中淺色三角形代表模型約束位置,深色三角形代表載荷加載位置。
圖4 車體有限元模型及邊界條件示意圖
在車體有限元模型基礎(chǔ)上,對車窗及車門用玻璃材料進行封堵,使車體內(nèi)室封閉。運用此模型可模擬出車體在運行時的頻率響應(yīng)。封堵后的模型節(jié)點數(shù)為281 863,單元數(shù)為319 888。頻率響應(yīng)有限元模型如圖5所示。
圖5 頻率響應(yīng)有限元模型
本文采用Lanczos 模態(tài)算法[5]對模態(tài)振型進行質(zhì)量歸一[6]。鑒于結(jié)構(gòu)模態(tài)計算時高階模態(tài)密集,表1 僅列出可能與聲學模態(tài)產(chǎn)生耦合振動的模態(tài)頻率值,其對應(yīng)的模態(tài)振型如圖6~圖9所示。
表1 部分模態(tài)頻率
圖6 第12 階模態(tài)
圖7 第38 階模態(tài)
采用封堵后的有限元模型進行相應(yīng)的約束和加載,對整車進行頻率響應(yīng)計算,輸出節(jié)點位移。此步所得的車體振動信息可作為聲學邊界元激勵,進行下一步的聲學仿真。圖10~圖13 為部分頻率響應(yīng)下的位移云圖。
圖8 第47 階模態(tài)
圖9 第190 階模態(tài)
圖10 20.05 Hz 頻率響應(yīng)的位移云圖
圖11 32.05 Hz 頻率響應(yīng)的位移云圖
圖12 36.05 Hz 頻率響應(yīng)的位移云圖
圖13 72.05 Hz 頻率響應(yīng)的位移云圖
基于車體有限元模型,提取車體內(nèi)表面網(wǎng)格,對未封閉處進行密閉,形成車體內(nèi)室密閉空腔。針對該車體內(nèi)室空腔網(wǎng)格形成的內(nèi)室空間,采用實體單元進行網(wǎng)格劃分,形成聲學有限元網(wǎng)格。最后生成的車輛聲學有限元模型包含315 635 個節(jié)點,298 334個單元,如圖14所示。
圖14 聲學內(nèi)室空腔有限元模型
利用聲學內(nèi)室空腔有限元模型進行聲學模態(tài)分析[7],模型邊界不添加任何吸聲或隔聲材料。聲學模態(tài)頻率如表2所示。
表2 聲學模態(tài)頻率表
截取引起車體結(jié)構(gòu)振動的頻率與聲學模態(tài)產(chǎn)生耦合,并且在車內(nèi)形成穩(wěn)定的聲壓分布、放大噪聲、產(chǎn)生低頻轟鳴感的頻率值。圖15~圖17 為相應(yīng)頻率值下聲學模態(tài)的聲壓云圖。
圖15 第2 階聲學模態(tài)的聲壓云圖
圖16 第3 階和第4 階聲學模態(tài)的聲壓云圖
圖17 第8 階和第13 階聲學模態(tài)的聲壓云圖
將2.3 節(jié)所得到的車體板件頻率響應(yīng)位移作為聲學激勵,不考慮輪軌噪聲和氣動噪聲,車體內(nèi)室空腔邊界不做任何吸聲處理。
因車體為對稱結(jié)構(gòu),根據(jù)ISO 3381《各種有軌車輛噪聲測量》和ISO 3095《鐵道車輛噪聲測量》標準,在車體的地板上方設(shè)置5 個離散的場點。各場點距離其地板高度為1.6 m,沿X 軸從負方向到正方向依次為 1、2、3、4、5號場點。表 3 為 ISO 標準場點編號及名稱。圖18 為ISO 標準場點的位置圖。
本次計算的車內(nèi)噪聲由車體壁板振動激發(fā),所以在車體內(nèi)室空腔邊界處噪聲較大。ISO 標準場點位于車體內(nèi)室橫斷面中心處,相對噪聲較小。各ISO 標準場點的總聲壓級列表見表4。5 個場點聲壓對比如圖19所示。
圖18 ISO 標準場點的位置圖
表4 各場點總聲壓級列表
圖19 5 場點聲壓對比圖
綜合分析5 個ISO 場點的聲壓分布特點發(fā)現(xiàn),場點聲壓較大峰值出現(xiàn)在 20.05 Hz、36.05 Hz、54.05 Hz、72.05 Hz、88.05 Hz。提取這 5 個頻率作為板件貢獻量計算的分析頻率。由圖2、表2 和圖19 可知,激勵力和車體聲學振動在36 Hz 左右發(fā)生了耦合。
根據(jù)車體的各個功能部件,合并貢獻量不明顯的板件,車體板件大致可分為車頂、側(cè)墻、端墻、低地板及高地板五類。表5 為板件編號與板件名列表。圖20 為各組板件所在的位置,括號內(nèi)為左側(cè)對應(yīng)板件位置。
車體呈長筒形,各板件振動所激發(fā)的噪聲經(jīng)過車體壁板的反射、折射,聲壓的幅值、方向及相位都有所不同。車體任意點的聲壓為所有板件輻射噪聲的總和,這就造成有些板件輻射的噪聲在該點貢獻量為正,有些板件輻射的噪聲在該點貢獻量為負。在對車體的板件進行設(shè)計和優(yōu)化時,必須針對貢獻量為正的板件進行優(yōu)化才能達到效果。如果針對貢獻量較低的板件進行優(yōu)化,反而可能增大噪聲?;谝陨显矸治霭寮诟鞣逯殿l率的貢獻量,計算結(jié)果如圖21~25所示。
表5 板件分組列表
圖20 板件所在位置示意圖
圖21 20.05 Hz 時各場點板件貢獻量柱狀圖
圖22 36.05 Hz 時各場點板件貢獻量柱狀圖
圖23 54.05 Hz 時各場點板件貢獻量柱狀圖
圖24 72.05 Hz 時各場點板件貢獻量柱狀圖
圖25 88.05 Hz 時各場點板件貢獻量柱狀圖
綜合考慮各個頻率下板件的貢獻量正負值可以得出,1號板件在高聲壓頻率下正貢獻量相對較大,負貢獻量綜合最小。因此,可將車頂作為目標板件進行減振降噪優(yōu)化。
(1)根據(jù)車內(nèi)ISO 標準場點噪聲分析結(jié)果,可獲得與聲學模態(tài)產(chǎn)生耦合振動的模態(tài)頻率值(見表1)。在設(shè)計車體下吊時,應(yīng)使激勵源遠離這些車體結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率,避免車體發(fā)生共振。
(2)車內(nèi)某點聲壓在頻域上分布極不均勻,普遍存在幾個較大的峰值。該點的總聲壓級由這幾個聲壓峰值決定。對車內(nèi)噪聲進行優(yōu)化時可將聲壓峰值處的頻率作為目標頻率。
(3)為防止車體聲腔發(fā)生共振,應(yīng)使車體激勵源遠離車體聲學模態(tài)頻率。
(4)通過對比車體板件貢獻量可知,需對車頂進行進一步的減振降噪優(yōu)化。此為廠方進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噪聲控制提供了理論依據(jù)。
本文基于特定頻率處板件聲場貢獻量、結(jié)構(gòu)模態(tài)、聲學模態(tài)計算結(jié)果對車體下吊設(shè)備頻率的影響所提出的建議可供廠方參考,在今后試驗中可以進一步得到驗證并修正。
[1]錢小磊.70%低地板輕軌車車體強度分析與室內(nèi)噪聲預(yù)測[D].大連:大連交通大學,2011.
[2]馬天飛,林逸,張建偉.車室聲固耦合系統(tǒng)的模態(tài)分析[J].機械工程學報,2005,41(7):225.
[3]耿躍,胡用生.軌道車輛動力學性能仿真用軌道譜的研究[J].城市軌道交通研究,2010(7):20.
[4]李 卓,周勁松,張學銘,等.地鐵車輛軸箱吊耳動態(tài)分析和優(yōu)化[J].計算機輔助工程,2012,21(1):27.
[5]張靜,劉明輝,鄭鋼鐵.Lanczos-QR 方法在大型非比例阻尼結(jié)構(gòu)復模態(tài)計算中的應(yīng)用[J].振動與沖擊,2011,30(5):222.
[6]林賢坤,覃伯英,張令彌,等.基于附加質(zhì)量的試驗?zāi)B(tài)振型質(zhì)量歸一化[J].振動、測試與診斷,2012,32(5):784.
[7]周鋐,金歡峰,靳曉雄.轎車車內(nèi)空腔聲學模態(tài)[J].同濟大學學報:自然科學版,2001,29(5):557.