[發(fā)明專利]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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410283268.0
• 申請日: 2014-06-24
• 公開（公告）號: CN104036087B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 勵吾千;李奇;吳定俊;于貞波
• 申請（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 張磊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于功率流振動計(jì)算模型和邊界元聲輻射計(jì)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(jì)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)

隨著城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)和經(jīng)濟(jì)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(jì)、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(fèi)用低，運(yùn)營后維護(hù)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。

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(shí)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(jìn)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

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(shí)現(xiàn)計(jì)算橋梁和軌道在中頻區(qū)段的輻射噪聲，提高計(jì)算精度，適用于不同橋梁和軌道結(jié)構(gòu)類型。

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(shí)測時(shí)A聲級下橋梁噪聲與鋼軌噪聲的峰值頻率，確定計(jì)算的頻率范圍為中頻；

（3）根據(jù)步驟(1)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(jìn)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(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)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(shí)際粗糙度激勵下的單位長度橋梁和軌道的隨機(jī)振動功率；

（5）建立橋梁和軌道的二維有限元模型，分別進(jìn)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(jìn)行單位簡諧力響應(yīng)振動計(jì)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(diǎn)聲壓；

（6）依照步驟（4）中的隨機(jī)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(jì)算出的橋梁和軌道輻射場點(diǎn)聲壓進(jìn)行縮放，得到實(shí)際的聲壓，然后根據(jù)聲壓疊加原理計(jì)算軌道和橋梁的總輻射噪聲。

本發(fā)明中，所述步驟（3）中，橋梁結(jié)構(gòu)用三維實(shí)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。

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?

其中：為單位正弦荷載圓頻率；為未知彈簧力列向量；為單位正弦荷載引起的彈簧壓縮位移列向量；為結(jié)構(gòu)動柔度矩陣；為彈簧動柔度矩陣。解此方程即可得各彈簧力（m為第m個(gè)彈簧單元），進(jìn)而求出各彈簧節(jié)點(diǎn)的位移。然后，根據(jù)位移和速度的關(guān)系，計(jì)算各彈簧的節(jié)點(diǎn)速度（a為第m個(gè)彈簧單元的a節(jié)點(diǎn)），接著可得通過第m各彈簧輸入到各結(jié)構(gòu)的功率為：

其中;表示復(fù)數(shù)共軛。

本發(fā)明中，所述步驟（4）中，計(jì)算出單位粗糙度激勵下，考慮多個(gè)輪子作用在鋼軌上時(shí)單位長度橋梁和鋼軌的振動功率分別為和，計(jì)算公式如下：