許代言

湖南省高鐵運(yùn)行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006

1 箱型梁噪聲輻射有限元-邊界元計(jì)算模型

1.1 箱型梁有限元模型及橫向隔板設(shè)置

在列車的輪軌動力作用下鐵路箱型梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)二次振動并引發(fā)低頻噪聲輻射，這種低頻的結(jié)構(gòu)噪聲穿透力強(qiáng)，對人體健康危害極大。以32m鐵路高架箱型梁為研究對象，利用ANSYS建立三角隔板、整體隔板和翼緣隔板3種不同工況的32m鐵路箱型梁有限元模型，如圖1所示。其中，支座剛度K1為3.38×109N/m，鐵路箱型梁體材料的彈性模量E取36.2GPa，密度ρ取2500kg/m3，泊松比μ取0.2，阻尼比ζ取0.03，扣件的垂向剛度K2取6×107N/m，扣件阻尼C取104N?s/m，設(shè)扣件的間距l(xiāng)為0.625m。模型中橫向隔板的間距均取4m，橫隔板的厚度取20cm，改進(jìn)后箱型梁的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和屬性與原箱梁模型一致。

圖1 3種不同工況的32m鐵路箱型梁有限元模型

1.2 箱型梁邊界元模型

利用聲振耦合分析軟件Sysnoise建立鐵路箱型梁的間接邊界元模型。其最大網(wǎng)格單元的邊長不能超過計(jì)算頻率最短波長的1/6，即按式（1）確定邊界元網(wǎng)格尺寸：

式中：L為邊界元網(wǎng)格劃分單元的最大尺寸，m；c為空氣中聲音傳播速度，c=340m/s；fmax為邊界元模型的最大計(jì)算頻率，Hz。

采用間接邊界元法提取結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格作為聲學(xué)邊界元網(wǎng)格，提取箱梁跨中橫截面作為獲取聲輻射水平的計(jì)算網(wǎng)點(diǎn)。由式（1）可知，當(dāng)該模型的最大計(jì)算頻率取177Hz時(shí)，為了提高計(jì)算效率，鐵路箱梁的邊界元網(wǎng)格劃分時(shí)單元尺寸L取最大值0.32m。

2 垂向輪軌力求解

采用UM軟件建立CRH2型列車多體動力學(xué)分析模型，每節(jié)列車有2個(gè)轉(zhuǎn)向架，共4個(gè)輪對，包含軸箱、空氣彈簧、轉(zhuǎn)向架、車體等組件。按幾何形位合理組裝得到CRH2型車整車模型，基本參數(shù)轉(zhuǎn)向架中心距為17500mm，軸距為2500mm，車輪滾動圓橫向跨距為1493mm，車路滾動圓直徑為860mm，輪對內(nèi)側(cè)距為1353mm，車輪外形采用LMA；鋼軌型號采用60kg/m。

為了預(yù)測箱型梁振動產(chǎn)生的噪聲，將輪軌作用力簡化為垂向激勵(lì)加載到箱型梁的鋼軌上，求解鐵路箱型梁的振動響應(yīng)。輪軌表面不平順激勵(lì)采用德國低干擾譜，最終得到輪軌垂向力時(shí)程曲線圖，如圖2所示。為了提高運(yùn)算效率，取2節(jié)CRH2列車輪軌垂向力進(jìn)行模擬加載，設(shè)定列車運(yùn)行速度為180km/h。

圖2 輪軌垂向力時(shí)程曲線圖

3 噪聲輻射水平分析

為了研究在列車動荷載作用下鐵路箱型梁的結(jié)構(gòu)振動和頻率響應(yīng)特性，求解3種不同橫隔板改進(jìn)措施下鐵路箱型梁的翼緣端點(diǎn)處的垂向振動加速度。將一節(jié)車廂4個(gè)輪對簡化為8個(gè)集中力，每隔6.4×10-4s加載一個(gè)力。利用ANSYS軟件編寫命令流實(shí)現(xiàn)模擬鐵路箱型梁右邊單側(cè)行車，采用完全法求解鐵路箱型梁翼緣端點(diǎn)處瞬態(tài)響應(yīng)。鐵路箱型梁跨度為32m，為了提高計(jì)算效率，加載2節(jié)列車輪軌力通過鐵路箱型梁。

將箱型梁各點(diǎn)垂向振動加速度作為聲學(xué)邊界元的初始條件，輸入聲振耦合分析軟件Sysnoise求解箱型梁附近場點(diǎn)的聲壓級?？紤]人體身高因素，在鐵路箱型梁跨中橫截面距地面1m高沿水平方向選取5個(gè)聲壓級計(jì)算點(diǎn)，編號為D1～D5，距橋體中心線水平距離分別為0m、5m、10m、20m、25m。

不同類型橫隔板的箱型梁場點(diǎn)最大聲壓級如圖3所示，設(shè)置橫隔板的措施對鐵路箱型梁有明顯的減振降噪效果，設(shè)置三角隔板和整體橫隔板使鐵路箱型梁跨中正下方（D1處）的最大聲壓級降低約4～5dB；在距鐵路箱型梁跨中25m處，設(shè)置整體橫隔板使受聲點(diǎn)最大聲壓級降低8dB。分析可知，設(shè)置整體橫隔板的綜合降噪效果最佳，設(shè)置三角形隔板對箱型梁跨中正下方降噪效果較好，遠(yuǎn)場點(diǎn)降噪效果較整體式橫隔板要弱，在翼緣設(shè)置橫隔板的降噪效果較弱。

圖3 不同類型橫隔板的箱型梁場點(diǎn)最大聲壓級

4 結(jié)論

文章通過有限元軟件ANSYS和聲振耦合分析軟件Sysnoise建立鐵路箱型梁噪聲輻射有限元-邊界元計(jì)算模型，設(shè)置3種不同橫隔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分別求解翼緣振動加速度和跨中各受聲點(diǎn)最大聲壓級。計(jì)算結(jié)果表明，通過設(shè)置橫隔板的措施可以減小鐵路箱型梁的低頻振動和的結(jié)構(gòu)噪聲輻射，為穿過城區(qū)人口密集區(qū)的既有鐵路箱型梁低頻噪聲治理提供了一種思路；3種措施中設(shè)置整體橫隔板的降噪效果最佳，三角隔板次之，僅在翼緣設(shè)置橫隔板的降噪效果不明顯。