考虑UIC强度准则的轨道车轮辐板渐进结构拓扑优化方法

为了提高轨道车轮的结构性能, 利用渐进结构拓扑优化方法(ESO)建立了轨道车轮的结构优化模型; 以双S型轨道车轮为设计蓝本, 分析了轨道车轮的辐板设计域, 提出了轨道车轮在多工况作用下的渐进结构拓扑优化方法; 介绍了利用渐进结构拓扑优化方法实现结构应力均匀化的优化思路; 根据《整体车轮技术检验》(UIC 510-5:2003)标准, 分别考虑了轨道车轮在直线工况、曲线工况和道岔通过工况, 不仅获得这3种典型工况共同作用下的拓扑优化结构, 而且还获得了3种典型工况依次作用下的6种拓扑结构; 对比了优化前后车轮辐板的应力, 并利用有限元工具验证了优化后车轮的辐板应力特性, 证明渐进结构拓扑优化方法的正确性和有效性。研究结果表明: 利用渐进结构拓扑优化方法对轨道车轮的拓扑优化是适用的; 在车轮质量不增加的前提下, 优化后车轮辐板的厚度增加且不等厚, 有效地减小应力集中, 降低结构应力; 对比原双S型车轮, 优化后6种车轮模型的结构性能均有所提升, 分别提高了16.6%、20.7%、22.5%、21.3%、20.1%和19.5%, 其中, 方案3的优化车轮在3种工况下辐板处的最大结构应力分别降低了4.0%、14.5%和6.7%。研究有助于轨道车轮结构强度的提高, 并对多工况耦合作用下轨道车轮结构优化具有重要的参考价值。      

基于瞬态边界元法的铁路车轮声辐射研究

轨道车轮的振动声辐射瞬态特性分析能够直观反映车轮结构的时域振动响应和时域声辐射特性.利用有限元/瞬态边界元法的计算机仿真技术,对S形辐板车轮在时域下进行振动及声辐射特性分析.研究结果表明:踏面和辐板的轴向位移响应级基本一致,且轮辋和辐板之间轴向振动存在耦合关系;踏面、轮辋和辐板轴向位移响应级的变化趋势一致,具有类似于"拍"的周期特性;在车轮轴线上距离车轮30m处的声压集中在60~80dB,且随时间的增加整体缓慢上升,再趋于平稳;声压主要分布在3 500Hz以下的频段.研究结果为瞬态声辐射仿真技术在车轮振动声辐射特性研究中的应用提供参考.     

考虑旋转效应的弹性车轮降噪效果与影响参数研究

以某款弹性车轮及其原型普通车轮为研究对象，在考虑车轮旋转带来的移动荷载效应和陀螺效应的前提下，应用2.5维结构有限元法和2.5维声学边界元法预测车轮在给定轮轨粗糙度激励下的振动和声辐射；针对40、80和120 km·h-1三个运行速度，分析了弹性车轮的降噪机理，研究了弹性车轮橡胶层的材料参数对弹性车轮降噪效果的影响。研究结果表明:车轮旋转使得原本非0节径模态频率处的声功率峰值分叉为2个峰值，其中一个峰值频率比原模态频率高，另一个峰值频率比原模态频率低，2个峰值频率差近似等于车轮的旋转频率乘以2倍的模态节径数；在所考虑的工况下，车轮旋转对车轮声辐射的影响最高达3.2 dB(A)，因此，在预测车轮的声辐射时，必须考虑旋转对预测结果的影响；如果橡胶弹性模量太小，则轮箍容易振动，从而有可能辐射比普通车轮更高的噪声；从车轮声辐射的角度，橡胶弹性模量存在一个最佳值，在这个值下，弹性车轮的声功率最低，且低于原型车轮的声功率10 dB(A)以上；增加橡胶阻尼总是有利于车轮噪声的控制，但增加阻尼产生的降噪效果随橡胶弹性模量的增大而降低；对于同一弹性车轮，随着运行速度的提升，相对原型普通车轮的降噪效果不断降低，速度从40 km·h-1增大到120 km·h-1，降噪效果降低达4 dB(A)以上。      

城市轨道交通直壁式声屏障车致振动噪声研究

为了探究城市轨道交通声屏障的车致振动噪声问题,基于列车-轨道-桥梁相互作用理论,建立了列车-橡胶浮置板减振轨道-箱梁桥-声屏障耦合动力学模型,采用声学边界元法对列车通过城市轨道交通高架线路时的直壁式声屏障车致振动低频噪声问题进行了研究.研究结果表明:声屏障的车致振动主要集中在低频段,其中水平局部横向振动特性表现的十分显著,远强于垂向振动;声屏障的车致振动噪声主要集中在120 Hz以下的低频段,其中在声屏障正上方和正下方垂向声场区域的辐射噪声最小;列车经过时引起的声屏障水平局部振动特性是声屏障辐射噪声的主要原因,尤其是通透隔声板;声屏障局部振动不仅影响其辐射噪声的大小,同样对其辐射规律影响较大,即在具有较强局部振动特性的声辐射频段,声屏障具有规则的声辐射规律.     

轮轨噪声预测模型研究进展

从轮对振动声辐射预测模型、轨道结构振动声辐射预测模型与轮轨相互作用预测模型等方面，总结了轮轨噪声预测模型的研究进展，阐述了主要的建模方法及其特点，给出了一些典型结果，并提出了需要进一步研究的问题。研究结果表明:在建立轮对在给定简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轮对简化为轴对称弹性体，轮对的振动响应通过一个2维的结构有限元模型来预测，而它的声辐射则通过一个2维的声学边界元模型来确定，这样的建模方法可以全面且方便地考虑轮对旋转所带来的陀螺效应和移动荷载效应；在建立轨道结构在给定的简谐轮轨力作用下的振动声辐射预测模型时，可以将轨道结构简化为无限长周期结构，轨道结构的振动响应通过周期结构理论来分析，而它的声辐射则应用2.5维声学边界元来预测，这样的建模方法可以方便地考虑轮轨力沿轨道的高速移动并大大简化声辐射的计算；在建立轮轨相互作用预测模型时，可以利用轮对和钢轨在轮轨接触点处的频率响应函数或脉冲响应函数，这样的建模方法只以轮轨力为未知量，不但使得相应的微分方程或积分方程未知量少，而且完全考虑了轮对的旋转及沿轨道的移动；轮轨噪声预测还需研究的问题包括高速列车轮对的声辐射、高速轨道相对车体的声辐射、地下铁路轮轨噪声，以及包含降噪措施的轮轨噪声预测模型等。      

铁路高架结构线路噪声预测

列车在高架铁路运行时辐射的噪声与路基线路存在较大差异,特别是当线路采用了声屏障后,高架结构辐射的噪声对沿线环境的影响将显现．文中应用动力学基本理论建立了车．桥线路的耦合模型,获得了列车运行时轮轨之间的作用力,将其作为高架结构的统计能量分析的输入,研究了高架结构振动与声辐射,并应用高架结构的振动测试,进行了模型验证．应用该模型研究了200km／h速度下列车运行引起的高架结构噪声辐射,分析了轨道垫板的刚度变化对高架结构声辐射的影响,得出了优化轨道垫板的刚度可以提高高架结构声屏障的总体降噪效果的结论．     

腹板开孔对轨道交通箱梁振动噪声的影响

实测了城市轨道交通简支箱梁各板件的振动与近场噪声, 结合板件声辐射理论研究了箱梁结构振动辐射噪声和箱梁振动的关系; 基于箱梁结构噪声易产生绕射的低频特性, 计算了矩形混凝土板件在不同开孔工况下辐射的结构噪声变化情况; 在考虑箱梁腹板开孔的基础上建立了车辆-轨道-箱梁耦合有限元模型和箱梁振动-结构噪声有限元-无限元模型, 分析了箱梁腹板开孔前后各板件的振动和结构辐射噪声变化情况。研究结果表明: 箱梁板件声辐射效率随频率的增加并不呈现线性关系, 箱梁各板件近场低频(低于250 Hz) 辐射噪声与结构振动加速度级也并非简单的线性关系, 箱梁辐射噪声由箱梁振动和箱梁各板件声辐射效率共同决定; 对于两端简支的开孔板件, 在开孔率基本一致(0.4%左右) 的情况下, 开孔直径越小, 板件振动辐射噪声声压级越小; 采用有限元-无限元方法模拟箱梁近场低频结构噪声, 既能解决单独采用有限元法时声场边界反射的影响, 也避免了采用有限元-边界元方法时多软件交叉使用的不便; 腹板开孔虽然增加了箱梁板件在某些频率(100~125 Hz) 处的振动响应, 但由于箱梁内、外部声场连通, 使得声短路效应增加, 降低了板件的声辐射效率和相应频段的噪声; 腹板开孔后在1~250 Hz频段内顶板、底板和腹板附近的总声压级分别降低了9.43、2.74和1.63 dB, 从而使箱梁结构噪声得到了控制。      

前门“铛铛车”车轮断面减振降噪优化设计

摘要：以北京前门投入运营的“铛铛车”车轮为研究对象,从降低“铛铛车”在运行中产生的轮轨接触噪声的目的出发,将最优化理论运用于“铛铛车”车轮断面外形设计,建立了以车轮断面外形几何参数为设计变量、车轮结构振动辐射噪声最小为目标函数、承载强度为约束的数学模型,编制了相应的算法,得到了车轮断面外形几何参数的最优解,结果表明优化后车轮的声功率水平比原始车轮减小了30％,降低了车轮的振动噪声．     

城市轨道车辆噪声分析及减噪措施研究

阐述了城市轨道车辆噪声和振动的测试方法。在对7000型、DL-621型、5000型城市轨道车辆噪声和振动测试的基础上,利用B&K2033(A)分析仪与APPLE-Ⅱ联机对测得的信号进行了频谱分析,利用IBM-PC/XT微机对数据进行了FFT处理;分析了城市轨道车辆的噪声现状,并对车内外噪声进行了A声级评价,提出了降低轨道车辆噪声的主要途径,弹性车轮作为一种减噪措施,分析了其减噪隔振作用,并对弹性车轮的轮心、轮箍、轮环、橡胶环等四部分做了分析、讣算和设计。     

低轮轨力转向架车轮辐板形状优化的可行性研究

增加列车轴重是提高铁路货运能力的一种有效手段,但货车轴重的增加,必然引起一系列的强度问题。采取把车轮直径由840mm增大为915mm,可以保证强度要求,但也增加了轮对死重。本文探讨了一种在不增加轮径的前提下,仅通过对车轮辐板进行形状优化,就可使其在25t轴重下可靠工作的优化设计方法。结果表明,对车轮轮辐断面形状优化后,可较大幅度地降低其温度应力,有可能使840mm车轮在25t轴重下的应力接近甚至低于原结构在21t轴重下的应力水平。     

轨道车轮振动声辐射边界元法数值仿真

轮轨噪声是铁路运输的主要噪声源,车轮噪声是轮轨噪声的主要部分之一,车轮的振动声学仿真对设计低噪声车轮有重要意义.建立了车轮振动的三维有限元模型,用有限元法计算车轮约束模态及振动,用直接边界元法计算车轮的声辐射,用该方法分析了车轮在1～3000 Hz的振动声辐射.结果表明,在1～3000 Hz的频率范围内,车轮外侧声压级大于车轮上部和前部的声压级,域点声压级随频率增加而增大.本研究为进一步对车轮进行随机振动声学分析及优化设计奠定了基础.     

高速铁路箱梁桥-声屏障结构振动噪声初探

声屏障是轨道交通重要的降噪措施之一,但在列车经过时声屏障同样会产生振动成为向外辐射噪声的声源.以内折型声屏障为研究对象,将其简化为适用于声学计算的板壳单元,通过建立高架线路结构的有限元模型,以中国高速铁路无砟轨道谱作用下的声屏障以及箱梁桥-声屏障的动力学响应作为声学边界条件,基于有限元-边界元理论分别求解单独声屏障和箱梁桥-声屏障的声辐射特性,初步探究了声屏障对高架路段结构声辐射的影响,在此基础上进一步考虑了地面反射的作用.研究结果表明:声屏障的振动形式主要表现为水平局部振动以及垂向整体振动,水平局部振动对自身结构噪声辐射的影响最大,其结构噪声集中在0～180 Hz的低频段,与桥梁结构噪声频率范围重合度较高;桥梁上安装声屏障后的振动分布发生明显地改变,使得声压在部分频段内降低,周围声场的分布也发生了明显变化而且总体上声压增加了1～2 dB;刚性地面的反射会使整个声场的声压增大,声压增加值最大可达5 dB.因此,声屏障对高架线路的整体结构声辐射能够产生很大的影响,考虑地面反射的作用后更加显著.     

城市轨道交通振动与噪声

随着经济的发展 ,城市轨道交通的振动和噪声问题越来越引起人们的重视。叙述了轨道结构振动的产生原因及环境振动的评价指标 ,分析了铁路噪声的组成及对环境噪声的评价标准。通过对国内外资料的分析 ,认为轮轨噪声是城市轨道交通噪声的主要组成部分 ,要对轨道交通减振降噪 ,降低轨道结构的振动是关键。最后提出对轨道交通减振降噪的一些建议。     

城市轨道交通桥梁-声屏障系统结构噪声特性与预测

针对列车通过城市轨道交通高架时引起的桥梁-声屏障系统结构噪声问题，在某市域铁路箱梁段分别选取无声屏障和直立式声屏障地段，开展噪声现场测试；通过对比无声屏障和直立式声屏障地段的测试结果，分析了箱梁-声屏障系统结构噪声的频谱特性；基于有限元-边界元法，建立了箱梁-声屏障系统振动声辐射数值计算模型，研究了箱梁-声屏障系统结构噪声的空间分布规律，探讨了车速和声屏障高度对箱梁-声屏障系统结构噪声的影响。研究结果表明:当列车以约93 km·h-1的速度通过时，直立式声屏障对高频轮轨噪声起到了很好的降噪作用，但会使低频结构噪声增大；声屏障结构噪声的影响主要集中于160 Hz以下的低频段，箱梁-声屏障系统结构噪声的峰值出现在63 Hz左右；箱梁-声屏障系统结构噪声呈现出近场随距离衰减较快，远场随距离衰减越来越慢的趋势，箱梁正上方和正下方的结构噪声均超过96 dB，距离桥梁中心线120 m处的结构噪声衰减至72 dB；声屏障结构噪声对于梁侧声场的影响较大，与无声屏障地段相比，设置了高度为3.15 m的直立式声屏障之后，梁侧结构噪声增大了2~5 dB；当车速由93 km·h-1增大到120 km·h-1时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加7 dB以上；当声屏障高度由3.15 m增大至6.3 m时，箱梁-声屏障系统结构噪声辐射在梁侧最大增加3 dB以上。      

桥梁截面形式对轨道交通高架噪声的影响

城市轨道交通高架一般采用预应力混凝土简支梁,其截面形式不但直接影响桥梁振动及其结构声辐射,还间接影响轮轨噪声的传播. 为给低噪声轨道交通的高架桥梁截面选型提供依据,本文采用功率流方法计算轮轨滚动激励引起的轨、桥空间平均振动均方速度,结合声有限元-无限元方法分析钢轨噪声和桥梁结构噪声的产生与传播,对比研究了某U型梁、单箱单室梁及双箱双室梁的振动及其声辐射的差异. 结果表明:桥梁截面形式对钢轨振动影响很小,但明显影响钢轨噪声辐射;截面形式对桥梁振动及结构噪声的影响均很大. 就钢轨噪声而言,U型梁相比箱形梁小1～3 dB(A);但在桥梁结构噪声方面,单箱单室梁较U型梁小2～10 dB(A),双箱双室梁较单箱单室梁可再减小2～6 dB(A).      

高速铁路桥梁全封闭声屏障结构噪声特性

开展了高速铁路桥梁和桥梁-全封闭声屏障典型结构断面的振动和噪声测试,建立了高速铁路桥梁-全封闭声屏障系统结构噪声的快速多极边界元法(FMBEM)数值预测模型,深入分析了板件的车致振动与结构噪声辐射的相关性和时频特性,并以此验证了FMBEM数值预测模型求解结构噪声的准确性;对比分析了有、无全封闭声屏障工况下32 m简支箱形梁桥结构噪声的空间和频域分布特性,并比较了FEBEM与边界元法(BEM)的计算效率。分析结果表明:桥梁-全封闭声屏障系统板件的振动与噪声的频谱分布规律基本一致;受全封闭声屏障隔声作用和梁体遮蔽作用的影响,距箱梁底板表面0.3 m处测得的噪声信号基本反映了底板的结构噪声特性,其余测点则不同程度地受到其他板件或轮轨系统辐射噪声的影响;计算与实测噪声的幅频特性吻合较好,峰值处计算误差在1.5 dB以内;全封闭声屏障的安装导致桥梁板件的振动和结构噪声均减小,也改变了桥梁周围的声场分布特性,桥梁板件表面场点的总声压级降低了0.8 dB,梁体下方地面场点总声压级增大了4.1~9.4 dB;梁体斜上方场点总声压级增大了9.6~18.1 dB,桥梁-全封闭声屏障结构顶部局部区域的结构噪声比无声屏障的桥梁大12.4 dB以上;FMBEM计算耗时为传统BEM的1/3,计算更为高效。      

客运专线无碴轨道噪声问题研究

轨道交通噪声对环境的影响日益受到世界各国研究者们的普遍重视，特别是随着行车速度的提高，噪声水平迅速提高。国内外一些研究资料表明：在不同速度条件下，滚动噪声是铁路噪声辐射的主要来源，而钢轨振动噪声在轮轨滚动噪声中又居主要地位，车轮次之。由于噪声与振动在500～2000Hz频率范围内线性相关，且钢轨在此范围内是主要辐射体，因此抑制钢轨振动、减小钢轨的振动加速度和频率，对降噪起着关键作用。在许多工业发达国家，经过多年的研究积累，已经形成了较为完整的轨道交通噪声测试、评价、控制及整治机制。而我国学者虽也就此进行了一些研究，提出并采取了一些措施，轮轨噪声有所降低，但随着我国高速客运专线的建设，由于轮轨噪声对车速效强的依赖性，其声级将愈来愈大，进一步研究有待加强。[第一段]     

城市轨道交通轨道振动噪声成因及整治措施研究

随着我国基础设施建设水平的不断提高,各大城市的轨道交通运营线路数量不断增加,给人们的出行提供了更便利和多样化的选择。与此同时,城市轨道交通运行引发的轨道振动噪声问题日益显现,严重影响着城市轨道交通沿线周围居民的工作、生活和身心健康,也加剧了轨道结构的病害程度。以我国城市轨道交通线路轨道振动噪声问题为研究对象,根据现场调研总结归纳出轨道振动噪声的产生原因,并提出针对性的整治方案,对轨道减振降噪的整治措施进行了评估分析,探讨了整治方案的合理性,并提出轨道减振降噪的运维建议。     

城市轨道交通轨道减振降噪设计研究

城市轨道交通的快速发展在创造良好的经济、社会和环境效益的同时,也不可避免地给城市带来了振动和噪声问题。通过对噪声源进行分析,得出轮轨噪声是城市轨道交通的主要噪声源。因此,合理选择轨道结构的型式是最为有效的减振降噪措施。通过对各种轨道结构减振型式的分析比选,得出轨道减振设计中合理、有效的减振降噪措施。     

基于混合FE-SEA法的箱梁结构噪声特性研究

为探讨箱梁结构噪声规律及其影响因素，以南昌某高架铁路箱梁为研究对象，建立混合FE-SEA模型进行数值仿真分析，并进行现场试验验证。在此基础上，探讨了板厚对结构噪声的影响规律，分析了箱梁各子系统对远场声压的声贡献量。研究结果表明：混合FE-SEA法适用于箱梁结构噪声研究；箱梁结构振动的峰值频率为125 Hz，结构噪声频率范围为50～160 Hz；箱梁顶板和翼板对远场声压级的贡献量较大：增加各板厚度能降低结构噪声，其中增加顶板厚度效果较为明显。因此在减振降噪的过程中，应着重关注顶板和翼板。