基于功率流-边界元模型的高架轨道交通振动噪声仿真预测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，具体为：综合考虑高架轨道交通中频段（200~1000Hz）的桥梁噪声和钢轨噪声；相比仅考虑钢轨噪声或桥梁噪声的方法，噪声预测精度高。该方法首先建立轨道-桥梁系统功率流模型，计算不同频率的单位简谐力作用在钢轨上时输入桥梁的功率和钢轨的振动速度；然后，结合轮轨组合粗糙度谱，计算车轮-轨道-桥梁耦合系统下的轮轨接触力谱，进而得到随机轮轨力作用下桥梁和钢轨的振动状态；其后，分别建立桥梁和钢轨声辐射二维有限元-边界元弱耦合模型，计算它们在不同频率单位简谐力作用下的振动功率和辐射声场；最后，根据功率流方法获得的实际振动功率和有限元-边界元模型获得的振动功率，按振动功率一致的原则，对单位力作用下的场点声压进行缩放，得到桥梁噪声、钢轨噪声及它们的总噪声。
【专利说明】基于功率流-边界元模型的高架轨道交通振动噪声仿真预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于功率流振动计算模型和边界元声辐射计算模型的高架轨道交通桥梁和轨道噪声综合仿真预测方法，可应用与城市轨道交通高架桥梁结构和轨道结构的设计与声环境评估，属于轨道交通振动与噪声领域。
【背景技术】
[0002]随着城市化进程的持续推进和经济的快速发展，城市公共交通面临的压力日益增大。集经济、环保、节能、高效和安全于一体的轨道交通，是我国人口密集城市交通建设的最佳选择。轨道交通高架线建设周期短、费用低，运营后维护便利，成为郊区线路的优先考虑形式。但高架线路的噪声污染重于地下线，已成为制约其发展的重要因素。
[0003]轨道交通噪声包括轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声和桥梁结构噪声。对于中低频噪声，人们通常仅研究轨道噪声，或者仅研究桥梁噪声。实际上，在中低频噪声中，轨道噪声和桥梁噪声均占重要地位，因此，采用统一的方法对轨道噪声和桥梁噪声进行准确、高效地预测至关重要，有效的预测方法也为有针对性的采取减振降噪措施提供依据。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提出一种基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，以实现计算桥梁和轨道在中频区段的辐射噪声，提高计算精度，适用于不同桥梁和轨道结构类型。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
本发明的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，包括如下步
骤:
(1)确定轨道交通桥梁结构噪声预测参数，所述噪声预测参数包括车辆参数、轨道结构参数、桥梁参数、轮轨组合粗糙度谱及行车速度；
(2)根据众多实测时A声级下桥梁噪声与钢轨噪声的峰值频率，确定计算的频率范围为中频；
(3)根据步骤(I)所选的轨道交通桥梁结构噪声预测参数，建立桥梁结构三维有限元模型，进行模态分析，得到桥梁模态信息；
(4)根据步骤(3)得到的桥梁模态信息以及步骤(I)得到的轨道结构参数，建立轨道-桥梁功率流数值模型，在跨中位置的轨道上作用不同频率的单位简谐力，计算结构的振动响应，得到各频率下的振动功率幅值。考虑单节车辆长度范围内的车轮总数，根据功率叠加原理，计算单位长度桥梁、轨道的振动功率；根据车轮与轨道接触点处的位移协调条件，结合步骤(I)得到的轮轨组合粗糙度谱，计算轮轨组合粗糙度谱激励下的轮轨竖向接触力谱，然后结合已算得的单位粗糙度下的桥梁和轨道振动功率，得到实际粗糙度激励下的单位长度桥梁和轨道的随机振动功率；(5)建立桥梁和轨道的二维有限元模型，分别进行桥梁模态分析、轨道模态分析并生成表面网格文件，根据桥梁模态分析和轨道模态分析分别进行单位简谐力响应振动计算，得到二维有限元模型谐响应的表面振速。根据生成的表面网格文件建立包含桥梁与轨道的二维边界元模型，以二维有限元模型谐响应的表面振速作为声学边界条件，得到桥梁和轨道在单位简谐力作用下的振动功率和场点声压；
(6)依照步骤(4)中的随机振动功率和步骤(5)中的振动功率的关系，对边界元模型计算出的桥梁和轨道辐射场点声压进行缩放，得到实际的声压，然后根据声压叠加原理计算轨道和桥梁的总辐射噪声。
[0006]本发明中，所述步骤(3)中，桥梁结构用三维实体单元模拟，二期恒载用质量单元模拟，桥梁模态分析频率范围为中频。
[0007]本发明中，所述步骤(4)中，轨道-桥梁功率流数值模型中，轨道用无限长欧拉梁模拟，轨道与桥梁之间的扣件用弹簧单元模拟，以弹簧力(包括回复力和阻尼力)为基本未知量建立轨道-桥梁系统力法方程。在钢轨上某车轮位置作用竖向单位正弦荷载，各弹簧处的位移协调方程为
【权利要求】
1.基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，其特征在于具体步骤如下: (1)确定轨道交通桥梁结构噪声预测参数，所述噪声预测参数包括车辆参数、轨道结构参数、桥梁参数、轮轨组合粗糙度谱及行车速度； (2)根据众多实测时A声级下桥梁噪声与钢轨噪声的峰值频率，确定计算的频率范围为中频； (3)根据步骤(1)所选的桥梁参数，建立桥梁结构三维有限元模型，进行模态分析，得到桥梁模态信息； (4)根据步骤(3)得到的桥梁模态信息以及步骤(1)得到的轨道结构参数，建立轨道-桥梁功率流数值模型，在跨中位置的轨道上作用不同频率的单位简谐力，计算结构的振动响应，得到各频率下的振动功率幅值；考虑单节车辆长度范围内的车轮总数，根据功率叠加原理，计算单位长度的桥梁、轨道振动功率；根据车轮与轨道接触点处的位移协调条件，结合步骤(1)得到的轮轨组合粗糙度谱，计算轮轨组合粗糙度谱激励下的轮轨竖向接触力谱，然后结合已算得的单位粗糙度下的桥梁和轨道振动功率，得到实际粗糙度激励下的单位长度桥梁和轨道的随机振动功率； (5)建立桥梁和轨道的二维有限元模型，分别进行桥梁模态分析、轨道模态分析并生成表面网格文件，根据桥梁模态分析和轨道模态分析结果分别进行单位简谐力响应振动计算，得到二维有限元模型谐响应的表面振速；根据生成的表面网格文件建立包含桥梁与轨道的二维边界元模型，以二维有限元模型谐响应的表面振速作为声学边界条件，得到桥梁和轨道在单位简谐力作用下的振动功率和场点声压； (6)依照步骤(4)中的随机振动功率和步骤(5)中的振动功率的关系，对边界元模型计算出的桥梁和轨道辐射场点声压进行缩放，得到实际的声压，然后根据声压叠加原理计算轨道和桥梁的总辐射噪声。
2.如权利要求1所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(3)中，桥梁结构用三维实体单元模拟，二期恒载用质量单元模拟，桥梁模态分析频率范围为中频。
3.如权利要求1所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，轨道-桥梁功率流数值模型中，轨道用无限长欧拉梁模拟，轨道与桥梁之间的扣件用弹簧单元模拟，以弹簧力(包括回复力和阻尼力)为基本未知量建立轨道-桥梁系统力法方程，计算单位简谐荷载作用下系统的振动速度及功率流。
4.如权利要求3所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，在钢轨上某车轮位置作用竖向单位正弦荷载，各弹簧处的位移协调方程为:S(?)F(?)+AJS(?) = -A(i2})F(<2j) 其中’力单位正弦荷载圆频率；F(^)为未知弹簧力列向量；Ai O)为单位正弦荷载引起的弹簧压缩位移列向量；SO)为结构动柔度矩阵；Λζφ)为弹簧动柔度矩阵；解此方程可得各弹簧力尾M，《指第《个弹簧单元，进而求出各弹簧节点的位移；然后，根据位移和速度的关系，计算各弹簧的节点速度UCM，a为第《个弹簧单元的^节点。
5.如权利要求3所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，通过第《个弹簧输入到各结构的功率计算公式为:
6.如权利要求3所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，在单位粗糙度激励下，考虑多个轮子作用在钢轨上的单位长度钢轨振动功率的公式为
7.如权利要求3所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，在单位粗糙度激励下，考虑多个轮子作用在钢轨上的单位长度桥梁振动功率的公式为:
8.如权利要求1所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(4)中，轮轨组合粗糙度谱激励下的轮轨竖向接触力谱计算公式为:
9.如权利要求1所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(5)中，桥梁和轨道采用平面应变单元模拟，网格尺寸小于最小声波波长的1/10，以保证计算精度，基于模态叠加法分别求解桥梁和轨道的谐响应，并求解出桥梁和轨道的振动功率，分别为^和》；213 ;将桥梁和轨道谐响应作为它们的二维边界元模型的声学边界条件，从而计算单位简谐力下的轨道及桥梁声辐射，并采用虚声源法考虑地面反射，计算得到的桥梁辐射声压和轨道辐射声压分别为和e。
10.如权利要求1所述的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声预测仿真预测方法，其特征是:所述步骤(6)中，声压缩放系数为功率流模型算得的实际轮轨粗糙度激励的结构振动功率与边界元模型算得的单位粗糙度激励的振动功率的比值开根号，因此，随机轮轨激励下的桥梁、轨道噪声预测表达式分别为:
【文档编号】G06F17/50GK104036087SQ201410283268
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】励吾千, 李奇, 吴定俊, 于贞波 申请人:同济大学