（车辆工程专业论文）铁路客车结构声场耦合系统噪声预测研究.pdf

摘要 摘要 随着轨道车辆行业的高速发展，客车噪声不但严重影响旅客乘车的舒适度，而且也 能引起轨道客车某些部件的早期疲劳损坏，从而降低轨道客车的使用寿命，在一定程度 上制约了轨道交通的发展。因此，以某型铁路客车为研究对象，基于有限元和边界元法， 对铁路客车结构声场耦合系统噪声进行预测研究具有重要现实意义。本文主要开展了以 下几方面的研究： 首先，将铁路客车结构简化为板梁组合结构，利用i - d e a s 软件建立该车结构的几 何模型；并在研究结构一声场耦合模型中结构有限元模型和声腔有限元模型的接触技术 的基础上，基于h y p e r m e s h 软件，建立车身结构有限元模型、车室内空腔有限元模型和 结构一声场耦合有限元模型。 其次，应用结构振动分析软件a n s y s 和声学分析软件s y s n o i s e ，对客车进行结 构振动模态、车厢空腔声学模态、结构一声场耦合系统模态分析。由于车厢空腔长度、 宽度和高度方向的对称性，使得空腔声场的各阶模态振型左右、前后和上下对称；结构 一声场耦合系统模态与没考虑流体的车身结构模态相比，第一阶模态频率变小，与车室 空腔第一阶频率相近，其余各阶频率相差不大且振型相近。 然后，对铁路客车车体转向架与底架接触位置施加垂向、纵向和横向的单位简谐激 励力，在0 2 0 0 h z 频率范围内对结构一声场耦合系统进行谐响应分析。求得在不同频率 下车身结构的结构振动响应。 最后，基于有限元和边界元法，对铁路客车的未考虑车室内装饰材料吸声性能的结 构一声场耦合系统进行室内声场预测研究，根据i s 0 3 3 8 1 车辆各种有轨车辆噪声测量 和i s 0 3 0 9 5 铁道车辆噪声标准确定场点平面及测试点，场点平面在大部分频率时的 声压基本关于车体中心线左右对称；声场声压在11 0 h z 频率最大为1 0 2 d b ，发生在客车 中部；在各频率下室内声场相同位置，基于边界元方法得到的声压结果稍大于基于有限 元得到的声压结果。测试点c 点( 0 ，0 ，1 2 ) a 计权声压级最大为8 4 6 d b a ，其它各点 a 计权声压级最大声压值都在7 5 d b a 左右。 本课题得到辽宁省自然科学基金项目复杂产品虚拟设计中多学科领域优化关键技 术研究( 项目编号：2 0 0 5 1 0 6 0 ) 的资助。 关键词：铁路客车；低频噪声；有限元法；边界元法；结构声场耦合 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也1 1 i 曲s p e e dd e v e l o p i n go fr a i l c a ri n d u s t r y ，v e h i c l en o i s en o to n l ys e r i o u s l ya f f e c t t h ec o m f o r to fp a s s e n g e r s ，b u ta l s oc a nb r i n gp a r t sf a t i g u ed a m a g eo fr a i l w a yv e h i c l ei ne a r l y s t a g e s oi tr e d u c et h es e r v i c el i f eo fr a i l w a yv e h i c l ea n dr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y t r a f j f i ct oac e r t a i ne x t e n t t h e r e f o r e t h i sp a p e rf o c u so nr e s e a r c h i n go na c o u s t i c s t r u c t u r e c o u p l i n gs y s t e mo far a i l c a rb a s eo nf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n db o u n d a r ye l e m e n tm e t h o dh a s r e a l i s t i cm e a n i n g t 【1 i sp a p e rm a i n l ya i m sa tf o l l o w i n ga s p e c t s ： f i r s t l y ，t h es t r u c t u r a lm o d e lo ft h er a i l c a rh a sb e e ns i m p l i f i e da sa s s e m b l a g eo fs h e l la n d b e a m ，a n dt h eg e o m e t r i cm o d e lo fs t r u c t u r eb o d yh a se s t a b l i s h e dw i t hi - d e a s 1 1 1 e n ，t h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r eb o d y t h ea i rc a v i t ya n dt h ea c o u s t i c s t r u c t u r ec o u p l i n gs y s t e m o fr a i l c a rh a v es e tu pb yh y p e r m e s ha f t e rt h er e s e a r c ho fc o n t a c tt e c h n o l o g yo ft h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h es t r u c t u r eb o d ya n dt h ea i rc a v i t yi nt h ea c o u s t i c s t r u c t u r ec o u p l i n g m o d e l s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r e ，a i rc a v i t ya n da c o u s t i c s t r u c t u r ec o u p l i n gm o d eh a v eb e e n a n a l y s e db ya n s y sa n ds y s n o i s e d u et ot h es y m m e t r yo ft h el e n g t h ，w i d t ha n dh e i g h to f a i rc a v i t y ，t h em o d e so fc a b i ns o u n df i e l da r e e u d i p l e u r a l f r o n t b a c ka n du p d o w n s y m m e t r i c a l c o m p a r e i n gw i t ht h es t r c t u r em o d eo fb o d yw h i c hi sn o tt o o ki n t e r i o ra i ri n t o a c c o u n t ，f o rt h ef i r s tm o d e ，t h ef r e q u e n c yo ft h ea c o u s t i c s t r u c t u r ec o u p l i n gs y s t e mm o d ei s d e c r e s c e n t ，a n dc l o s et ot h ef i r s tm o d a lf r e q u e n c yo fc a b i ns o u n df i e l d ，f o rr e s tm o d e s ，m o d e s h a p e sa r es i m i l a r , d i f f e r e n c i e si nf r e q u e n c ya r ef e w t h e n ，t h ea c o u s t i c - s t r u c t u r ec o u p l i n gs y s t e mw h i c hi sa p p l i e df lh a r m o n i cu n i te x c i t a t i o n a tv e r t i c a l ，l o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s ed r i e t i o n si sa n a l y z e df r o m0t o2 0 0h z ，t h ev i b r a t i o n r e s p o n s eo fr a i l c a rb o d ya td i f f e r e n tf r e q u e n c yi so b t a i n e d l a s t l y ，b a s i n go nf e ma n db e m ，r e s e a r c ha n dp r e d i t i o no ni n t e r i o rs o u n df i e l do ft h e a c o u s t i c - s t r u c t u r ec o u p l i n gs y s t e mo fb a r er a i l c a ri sp e r f o r m e d f i e l dp o i n tp l a n ea n dt e s t p o i n t sa r ec h o s e na c c o r d i n gt oi s 0 3 3 8la n dt h ei s 0 3 0 9 5 t h es o u n dp r e s s u r el e v e lo ff i e l d p o i n tp l a n ei sa l m o s te u d i p l e u r a la b o u tt h ec e n t e rl i n eo fr a i l c a rb o d va tm o s tf r e q u e n c i e s ，n l e m a x i m a ls p ll o c a t e da tt h em i d s to ft h er a i l c a ri s10 2d ba t11o h z n l es p lr e s u l t sf r o m b e ma r eb i g g e rt h a nt h es p lr e s u l t sf r o mf e mi nt h es a m ep o s i t i o no fi n t e r i o rs o u n df i e l da t e a c hf r e q u e n c y t h em a x i m a la w e i g h t e ds p li s8 4 6 d b aa tct e s tp o i n t ( 0 ，0 ，1 2 ) t h e m a x i m a la w e i g h t e ds p lo ft h er e s tt e s tp o i n t sa r ea b o u t7 5 ( 1 b a k 呵w o r d s ：r a i l e a r ；l o w - f r e q u e n c yn o i s e ；f e m ；b e m ；a c o u s t i c s t r c t u r ec o u p l i n g 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂一可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：硐亚互 日期：2 z , o g 年万月o 日 导师签名：榭硝 日期：c ；b 妨年多月fo 日 学位论文作者毕业后4 x - 向： 工作单位： 遗1 匿曾院 通讯地址：温1 奈叫南旅闽医 电子信箱：女严挑弦j 沙易彩从 电话：隧j 卜8 6 移寒尹7 37 邮编： 弓五f 口弓， 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董銮通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 词旦兰 日期： 渺男年月a 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义及背景 近年来，随着人们环境意识的增强以及乘客乘坐舒适性要求的不断提高，机械设 备及乘坐室内噪声问题越来越引起人们的重视，已成为当今世界性的问题。随着工业 的发展，人为的噪声污染，尤其是交通噪声和施工噪声污染已经成为重要的物理环境 特征。噪声已经成为威胁人类生存的三大公害之一，许多国家都成立了噪声控制的专 门机构，颁布了有关的法规，无论是生产还是管理部门，都开始重视噪声的控制工作【l 】。 目前，列车振动比较严重，内部噪声较大，研究表明，车内噪声不但严重影响了 旅客乘车的舒适度，损害了驾驶员的听力，使驾驶员迅速疲劳，对车辆行驶安全性构 成了极大的威胁，而且振动噪声也能够引起轨道客车某些部件的早期疲劳损坏，从而 降低轨道客车的使用寿命，并在一定程度上制约了轨道交通的发展。影响客车车厢内 部噪声的因素很多，如：行车速度、车厢等级和新旧程度、车厢的维护、结构尤其是 门窗的隔声能力、车厢地面材料的性质、整个车厢内部的吸声能力、车厢内的定员数 目、轨道的技术状态、上坡或下坡、长途车或短途车、地形状况、在地上或地下行驶、 司机的驾驶速度以及技术条件等等【2 j 。 当前轨道客车车内噪声控制普遍采用的方法是：在轨道客车生产后，对车内噪声 进行实验测量，然后再进行噪声降低改进措施，由于目前工程界缺乏相应的设计理论 和准则的支持，使该项设计工作过多地依赖于经验和技巧，缺乏系统性和原则性。所 以，这种对原型车的降噪改进往往需要经过多轮“声学设计试验测试修改设 计”才能达到预期目的，有时还不得不对原定的降噪指标进行调整，这既要耗费大量的 人力、物力和财力，又使设计周期增长，降低了产品参与市场竞争的能力。此外，车 辆生产出来以后再进行噪声控制实施起来比较困难，原因是：轨道车辆的性能都是通 过各个子系统集成后实现的，关系比较复杂，往往有利于进行噪声控制的改进可能会 改变系统的其他性能指标，此外，由于小的改动太多而使工程技术人员不知道解决问 题的关键所在。这些现实情况表明，在设计阶段预测与控制铁路客车车内噪声问题已 成为轨道客车生产制造企业的当务之急。 随着高速数字电子计算机的出现和发展，数值分析方法的应用领域越来越宽广。 声场及其与结构耦合系统的数值分析方法( 有限元法f e m 和边界元法b e m ) 在国外 航天、航海、汽车和铁路工业等有着广泛的应用，我国在这些方面的研究仍处于起步 阶段。因此，在我国轨道车辆行业的高速发展时期，在产品研制的设计阶段，利用 大连交通大学工学硕十学位论文 f e m b e m 方法对轨道车辆结构一声场耦合系统的内场噪声进行数值仿真和结构声学 设计，有的放矢地修改车身结构件的参数，进而总结出一套比较完善的车内中低频结 构噪声的预测分析与控制方法，这不仅对轨道车辆类结构声学设计具有重要的指导意 义，也将会缩短产品设计与研发周期、降低产品开发成本，极大地提高企业的创新能 力、竞争能力和经济效率【3 j 。 1 2 结构噪声国内外研究现状 1 2 1 结构噪声数值仿真方法概述 结构声学的数值分析方法可以分为两大类：能量方法和离散方法。能量方法包括统 计能量分析( s t a t i s t i c a le n e r g ya n a l y s i s ( s e a ) ) 和能量有限元法( e n e r g yf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( e f e a ) ) ，能量法适用于高中频率激励作用下结构振动与声幅射的计算分析。离 散方法主要是指有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ) 和边界元法( b o u n d a ye l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ) ，离散方法适用于中低频激励作用下复杂结构振动与声幅射的计算分析。 目前，采用离散方法进行结构声计算时，对结构一般采用有限元法进行离散，对流体可 采用有限元法、边界元法和无限元法( i n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 。 有限元法以能量原理为理论依据、将微分方程转化为矩阵代数的一种数值方法，对 于分析复杂形状腔体内的声场特性具有显著的优点，可以真实地模拟声场的低频波动特 征，也适用于声场结构界面阻抗非均匀分布的情况。一般用于中低频激励作用下复杂结 构振动一声的计算分析，缺点是自由度多，内部声场采用三维单元，并且耦合方程为非 对称矩阵，对于复杂的结构计算费用过大；通过边界积分方程在边界上离散进行求解的 边界元法比有限元法更多地应用了解析分析结果，所以其计算精度比有限元法高，同时 它能使问题的维数降低一维，且只须边界离散化，而不像有限元法需将区域离散化，因 而可大大减少单元，进而减少了数据量和计算时间，缺点是弹性边界较难确定，一般依 赖于实验测量；统计能量分析法是近4 0 年发展起来解决高频问题的有效方法，它把研究 对象从用随机参数描述的总体中抽取出来，对被研究对象的具体细节参数不感兴趣，关 心时域、频域和空间上的统计平均值，采用“能量”的观点，统一解决振动和声场问题， 与有限元法不同，它只能获得某个子系统的整体平均噪声水平。统计能量法的基本思想 是将一个完整的系统离散成多个子系统( 包括声场和结构) ，在外界激励作用下产生振动 时，子系统之间通过接触边界进行能量交换，每一个子系统的振动参数，如位移、速度、 加速度、声压均可由能量求得。所以，能量作为独立的动力学变量，可以统一处理结构 和流体声场间的耦合动力学问题。统计能量分析方法是一种适用于较宽频带范围内随机 2 第一章绪论 噪声的统计分析方法，它从统计的角度分析密集模态平均的振动能量传递水平，模态密 度越高，统计精度就越高。 随着有限元理论的成熟和高速大容量计算机技术的发展，通用有限元程序如 a n s y s 、n a s i t r a n 、a b a q u s 等已经可以用来计算封闭结构内部流一固耦合或非耦 合声场。1 9 7 0 年成立于美国宾夕法尼亚匹兹堡的a n s y s 公司，发展了著名的a n s y s 有 限元分析软件，该软件通过了n a s a ，f o r d ，g e 等大公司大工程的检验，该软件是集结 构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可应用于一般工程计算 和科学研究。a n s y s 软件处理多种物理场耦合的功能很强，如t 热一结构耦合、磁一 结构耦合、电一磁一流体一热耦合及流体一结构耦合，并且单元类型丰富，可满足一般 工程问题的需要，其分析精度、可靠性、稳定性等各指标都达到了极高的水平。在声学 分析方面，a n s y s 有着其独特的优势，建立了流体和声学单元库，考虑了结构与空气( 流 体) 相互作用的计算问题，使得结构一声学相互耦合问题的建模分析更为方便快捷。由 于强大的前后处理功能以及强大的有限元计算能力，所以受到国内外用户的广泛欢迎。 其缺点是利用有限区域截断来模拟声场的无限边界，计算的节点多，计算量较大，并且 其声场的后置处理功能较弱，不能给出结构的辐射声功率、声辐射效率等声学量【4 j 。 有限元法及边界元法在工程上的主要应用软件为s y s n o i s e 软件，它是比利时一家 国际著名的振动和声学测试分析软件公司l m s 公司的大型声学计算分析商品软件。 s y s n o i s e 是全球声一振领域设计、故障诊断、优化的先驱，功能强大。从空腔的声场 预测到环绕物体的声场分析，甚至可计算声场作用下结构的响应，从而帮助噪音控制工 程师优化产品的声振特性。s y s n o i s e 采用最先进的有限元和边界元两种数值计算方法， 可同时建立多个模型，能够预测声波的辐射、散射、折射和传递，声载荷引起的结构响 应；可以计算声场中任意点处的声压、声辐射功率、声强，结构对声场的辐射功率、能 量密度，流体模型的模态；根据分析类型的不同，可以建立流体模型，也可以建立结构 模型和流体模型相互作用的耦合模型。所建立的模型可以是封闭的，也可以是敞开的； 流体材料既可以是均质流体，也可以是多质流体。s y s n o i s e 还可以建立v i o l i n s ( v i b r a t i o no f l a y e r e di n s u l a t i o ns y s t e m s ) 模型，该模型是由多层泡沫材料或吸能材料 组成的。s y s n o i s e 为处理声音和声一振耦合问题提供了多种方法：声场有限元 ( f e m ) 、无限元( i f e m ) 、直接边界元法( d b e m ) 、间接边界元法( i b e m ) 。 有限元法求解内部噪声，非常适合于封闭区域，如：客舱，驾驶室等，常用于模拟吸能 内衬、孔板，可预测共振频率和声一振模态，能在时域或频域上计算已知激励力在空腔 中产生的声振响应；无限元求解辐射声场；边界元求解内部声场和外部辐射声场；适合 于求解内部和外部声一振问题，包括：结构的声辐射：确定结构表面和声场中任一点的 3 大连交通大学工学硕士学位论文 频率响应；分析面板材料对声场的贡献量( 即面板贡献分析，p a n e lc o n t r i b u t i o na n a l y s i s ) ； 通过灵敏度分析进行优化设计；s y s n o i s e 很容易与以下结构软件实现直接的数据交换： m s c n a s t r a n ，a n s y s ，i d e a s 等。可方便地读入其它分析软件的几何模型、有限 元网格以及结构模态和表面振动分析结果。还可以与其他有限元软件( 如a n s y s 、 n a s t r a n ) 相结合，进行降噪优化设计。s y s n o i s e 有强大的前、后处理功能，可以对 网格进行检查修正，可以将计算结果以云纹图、变形图、或向量图的形式来表达，绘制 声场中任意点的响应函数曲线【5 】。 a u t o s e a 统计能量分析软件是v i b r o a c o u s t i cs c i e n c e s 有限公司开发的基于统计能 量分析方法的噪声及振动控制设计软件。目前已应用于航空、造船、汽车以及普通消费 品等各个行业。其应用范围包括噪声预估、主要声源及噪声控制，外噪声辐射分析等。 a u t o s e a 集成了统计能量法的理论精髓，采用“统计”的观点预测同类结构的特性，在相 对粗略建模基础上进行噪声和振动的快速评估，可以解决5 0 至u 2 0 0 0 0h z 之间宽频设计问 题。模态阶数越高，波长足够短，其预测精度越高。运用a u t o s e a 进行统计能量分析的基 本步骤包括：整体分析，确定和划分子系统；测量子系统材料和声学特性；创建节点， 建立子系统；连接子系统；加载和计算；模型验证；然后在建立正确模型基础之上，指 导隔振降噪设计。该软件具有如下特点：提供快速三维建模；利用全波传递理论准确地 进行各种结构的振动与声学预测，计算引擎稳定；a u t o s e a 建立在一个开放的平台上， 允许使用者或第三方买主利用外挂模块来扩展其功能；自动连接所有结构以及声学子系 统间的点、线和面；可以集成多个模型，节省时间，提高效率；用户白定义的模型库可 以被用户无限的扩展；试验数据接口能将各种格式的试验数据导入从而建立一个实验与 仿真混合分析模型，提高模型的可靠性；用户界面采用标准的界面系 6 1 。 1 2 2 结构噪声工程应用 在上个世纪6 0 年代有限元法已经开始应用于工程声学。1 9 6 6 年，g l a d w e l l 和 z i n _ u i l e m 锄【7 】提出了一个结构声场能量公式，开创了有限元法在声学领域应用的先例。 他们把声场视为连续的弹性介质，用余能定理推导出板的振动与声场耦合、薄膜振动与 声场耦合的理论形式。早期在声学领域应用有限元法的有c r a g g s ，l e a l v e r 和j e n n e q u i n 以 及s h u k u 和i s h i h a r a 等，更多的应用发生在车辆领埘卜9 j 。s h u k u 和i s h i h a r a t l o 】最早使用按比 例缩小的车辆内部声场模型，用有限元法预测了内部声场的声响应，并用实验进行了验 证。w o l f t l l 】建立了车辆内部声场及结构模型，用结构一声学分析的有限元法预测了汽车 内部噪声，计算了车辆内部的声学模态及发动机激励的声学响应。d j n e f s k e 和 l j h o w e l l 1 2 】用有限元法进行汽车内部噪声诊断分析，并成功的对发动机激励、路面激 4 第一章绪论 励产生的车辆内部噪声进行了预测。s u n g s h 1 3 - 1 4 】建立了车体内部声场及车体三维模 型，用有限元法对内部噪声进行了预测。模型中考虑了车体与内部声场的三维耦合效应， 并基于此分析了内部声响应，得到了正确的结果。美国通用汽车公司率先应用有限元方 法对完整车身内部结构噪声进行了分析，并首次考虑了车身结构和声场的耦合作用，解 决了弹性边界的声学模态分析和车身结构受迫振动时的车内声压分布计算，这些都为分 析预测车内噪声打下了良好的基础；k a g a w a 1 5 】讨论了具有吸收壁面的轴对称声场特性。 目前，国外各大汽车及车辆制造厂已广泛应用有限元法进行车辆的声学仿真研究。 从7 0 年代开始，科学工作者开始应用边界元方法进行声场分析。最早将边界积分方 程方法应用到声学中的是c h n e 与s c h w e i k e r t t l 6 1 ，通过任意形状物体的表面速度分布来对 其进行声辐射预测。c h e r t o c k 采用h e l m h o l t z 积分方程求解了结构表面振速分布为已知的 结构振动声辐射问题。随后众多学者对其进行了研究。在早期的研究工作中，用边界积 分方程对边界进行离散时基本上采用常数元。到了8 0 年代，s y e b c r t r 7 】将等参单元引入到 边界积分方程中，极大地提高了声辐射的计算效率与精度，并给出了任意曲面结构声辐 射和声散射边界积分方程系数的计算公式，使得边界积分方程适用于任意非规则的封闭 声腔结构，至此边界元法得到了极大地完善，使它能计算由复杂的车身边界辐射形成的 车内声场问题，如c y r c 1 1 i l e g 和a f e s y b e 1 8 】使用多求解域方法计算包括乘客座椅在内的 车内声场。9 0 年代初期，边界元法己被应用到轿车车内声场的计算，国外最早建立过轿 车车内声腔的二维边界元模型，对车内声场进行了近似的分析计算。由于边界元方法的 显著优点，使其一出现就得到了迅速的发展。像全特解场边界元法【1 9 】、边界点法【2 0 l ，样 条边界元【2 l 】等新的边界元方法也逐渐被采用到声辐射分析中。 统计能量分析法是在2 0 世纪6 0 年代初发展起来的解决高频声振问题的有效方法。 第一个分析高频振动噪声的研究者是l y o n 和m a i d a n i k ，研究表明，子系统中的每个模 态的能量平均值是相互独立的，子系统的总能量为每个模态能量的和。g r o s v e l d 使用 s e a 法预测飞机由于气流对机身的激励在舱室内产生的噪声。七十年代后，统计能量分 析法的应用得到迅速发展，它首先被用来计算典型的船舶结构，随后被用于分析较大的 船舶构。统计能量分析法起源于航空航天业国外研究机构近1 0 年来对此方法在车辆工 程领域的应用作了大量的研究如克莱斯勒n v h 实验室、丰田公司、通用公司等对此都 做了许多尝试圈。如今已有基于统计能量法的大型分析软件a u t o s e a 2 ，在汽车，船舶， 航空等领域都有广泛的应用，如c h r y s l e r 采用集成a u t o s e a 2 技术，把对噪声和内饰材料 的设计与分析提前到产品开发初期，使相应的样机数量大为减少，已经应用于多种车型 的开发。 大连交通大学工学硕士学位论文 近年来，在汽车和船舶工业的振动和噪声问题研究方面，国内学者利用这些数值方 法作了大量的研究工作，获得了显著的成就。张维峰【2 3 】等采用有限元方法，在刚性壁假 设下，对t g 6 4 6 7 型汽车乘坐室内的声学特性进行了二维平面分析；沈壕、孙洪生阱】 等把波动方程转化为变分问题和用有限元求解的基本方法，通过计算二维刚性封闭空间 的特征频率，具体说明插入函数的影响，不同方法收敛于准确解的速度，最后给出了不 规则形状对小混响室特征频率影响的计算结果，得到了用不同插值法的结论。吉林工业 大学汽车系利用有限元方法分析了载重汽车驾驶室在路面激励和发动机激励下产生的 噪声，并分析了设置吸声材料与未设置前的减声效果，该研究中的路面和发动机激励都 是实车测试得到的；王维综【2 5 】等用有限元法研究了消声器的声学特性，得到了有意义的 结论。丁渭平1 2 6 j 等基于结构声场耦合有限元模型对车辆乘室的耦合模态、漏声特性、 声学响应进行了较系统的研究，并开发了基于对称有限元模型的子结构法。王登峰【2 7 1 等基于结构声场耦合有限元法，建立了整车与驾驶室声场耦合的有限元模型，分析了 发动机激励、路面激励下驾驶室内部噪声响应；重庆大学汽车工程系的汪斌【2 8 】等对某微 型货车驾驶室进行了结构声场耦合分析与降噪设计，取得了很好的降噪效果；西北工 业大学刘鹏1 2 9 - 3 0 利用有限元边界元方法研究了卡车驾驶室的振动与内部声辐射，建立 了驾驶室耦合振动有限元模型，并计算了模型的湿模态以及在激励源作用下引起的驾驶 室壳板振动响应；上海交通大学船舶与海洋工程学院杨德庆【3 l 】研究了船舶有限元分析模 型的建模、船舶振动频响分析方法以及动力计算结果与声学边界元模型接口技术，分析 了某船近场振动声学特性；朱桂华【3 2 】等应用统计能量分析方法以车辆驾驶室为研究对 象，研究板件结构驾驶室的振动能量及固体声的传递，分析了该结构的振动功率流的特 点，并计算了板件振动向室内辐射的噪声；同济大学叶武平博士【3 3 】用统计能量分析法进 行了车内噪声预测与控制的研究。 铁路噪声是很复杂的，它是多种噪声的综合。特别是高速铁路，由于其具有高速、 电气化、高架等特点，其噪声源发生了改变，噪声强度也相应地增大，影响范围也变大。 列车运行时影响噪声的大小及决定其频率特性的主要因素为车辆方面和轨道方面【3 4 1 。车 辆方面的因素主要有：车轮偏心( 轮对在制造或维修中，由于工艺或机床设备等原因， 车轴中心和实际车轮中心之间可能存在一定的偏心。当车轮沿轨道运行时，车轴中心相 对瞬时转动中心会出现上下和前后的运动。这些变化会激起车辆的上下振动和前后振 动，从而产生噪声) 、车轮不均重( 如果车轮的质量不均匀，车轮的质心与几何中心不 一致，当车轮转动时车轮上会出现转动的不平衡力。) 、车轮踏面擦伤( 车轮踏面存在 擦伤时，车轮滚过擦伤处，轮轨间发生冲击。) 、锥形踏面轮对的蛇形运动。轨道方面 的因素主要有：钢轨接头处的轮轨冲击( 车轮通过钢轨接头时，钢轨在接缝处会出现明 6 第一章绪论 显的形状变化，其中有接头处的接缝、台阶和折角。这些局部变化，使车轮通过钢轨接 头时轮轨接触点出现跳跃。) 、轨道的垂向变形( 轨道具有弹性，当车辆沿轨道运行时， 在轮重的作用下，轨道也随轮对移动出现垂向弹性变形。) 、轨道的局部不平顺和随机 不平顺( 例如，车辆通过曲线时轨道在垂向的超高及其顺坡，横向的方向变化、曲率半 径变化和轨距的变化。除此而外，轨道还存在上坡、钢轨局部磨损、擦伤、路基局部隆 起和下沉、气温变化引起轨道涨还有轨路基不均质，等等。这些局部形状变化，都是激 起车辆振动、激发轮轨噪声的原因。) 除了车辆结构和轨道方面的因素，铁道车辆噪声 与线路结构( 平地、填土路基、高架桥和钢梁桥) 、轨道种类( 道碴轨道、轨枕板轨道) 都 有关系。一般车辆在运行过程中产生的噪声，按其位置分为四类：车辆下部噪声、构造物 噪声、车辆上部空气动力噪声、集电系噪声。车辆下部噪声除了考虑轮轨噪声和驱动装 置的齿轮噪声外，还和运行线路条件有很大关系。构造物的噪声和轮轨噪声一样是由轮 轨之间的相互作用力发生的，由于辐射作用，其影响和危害远远大于地面噪声。空气动 力噪声源主要产生于车体结构本身。在车辆高速运行时，车头形状的不同、车体表面的 凹凸不平( 侧窗、百叶窗、侧门、车体连接部等) 等均会产生空气动力噪声。集电系噪声 主要由受电弓系统气动噪声、受电弓滑动噪声和电弧噪声组成。受电弓装置产生的气动 噪声是由构成受电弓的各种杆件引起的非稳态气流产生的噪声。受电弓滑动噪声是铁路 客车在高速运行时，受电弓的滑板与接触导线之间滑动而产生的机械振动噪声，其噪声 值与运行速度成正比，即运行速度越快噪声值越高。电弧噪声是受电弓与接触导线之间 产生的电火花声。 目前，对车室内场噪声预测的研究刚刚起步，对车身结构振动的车内低频噪声的分 析和预测精度都还没有达到工程上的要求，其原因是多方面的。首先，车内噪声分析及 预测模型缺乏合理性，因为车内声学问题远比想象的复杂( 车内噪声由三部分组成：一 是经车厢孔缝处直接从外部穿透到车内的空气声；二是外界噪声源作用于车身壁板，从 而使壁板受迫振动辐射产生的固体辐射声；三是前两部分声波在车内经多次反射而形成 的混响声。) 其次，车内饰、座椅等附属结构的声学动态响应主要集中在低频，其特性 在建模时很难模拟，一般需要做大量的简化处理【3 5 1 。然而，迄今为止尚没有行之有效的 车内附属结构当量简化的原则、方法可供使用，对附属结构的简化还不得不依赖于经验 和技巧，这使得对附属结构处理不当的情形时有发生，由此造成的理论预估误差在低频 范围内表现得更加显著： 7 大连交通大学丁学硕士学位论文 1 3 本文研究的主要内容 本文以某型铁路客车模型为研究对象，在对结构噪声国内外研究状况综述以及对结 构噪声数值仿真方法一有限元和边界元研究的基础上，对铁路客车结构一声场耦合系统 车室内中低频结构噪声进行预测研究，主要内容包括以下几个方面： 1 ) 将铁路客车结构简化为板梁组合结构，应用i d e a s 软件建立用于有限元分析的车身 结构几何模型；在研究结构一声场耦合模型中结构模型和声腔模型的接触技术的基 础上，基于h y p e r m e s h 软件，建立车身结构有限元模型、车室内空腔有限元模型和 结构声场耦合有限元模型； 2 ) 应用结构振动分析软件a n s y s 和声学分析软件s y s n o i s e ，对客车进行结构振动 模态、车厢空腔声学模态、结构一声场耦合系统模态分析，了解车身动态特性及室 内空腔声学特性，找出结构与室内声场的振动频率； 3 ) 基于有限元法，对结构一声场耦合模型进行单位激励力载荷下的声学响应分析，研 究室内低频噪声的形成机理，得到室内声场不同频率下的声压分布； 4 ) 将结构一声场耦合模型的振动响应分析结果作为客车室内声场边界元分析的边界条 件，利用s y s n o i s e 软件，预测车内噪声在0 2 0 0 h z 的响应情况。求出根据i s 0 3 3 8 1 车辆各种有轨车辆噪声测量和i s 0 3 0 9 5 铁道车辆噪声标准确定的车室内声 场观察点及观察面在激振频率范围内的不同频率处的声压分布，分析车内噪声的分 布特点。并对基于有限元法和基于边界元法的声压结果进行对比分析。 通过本课题的研究一方面为铁路客车室内低频噪声设计提供理论依据，提高其室内 噪声品质；另一方面，试图探索出一套较为合理和科学的铁路客车噪声建模及预测分析 方法，进一步充实铁路客车低频结构噪声设计的研究内容。 第二章铁路客车结构声学模态分析 第二章铁路客车结构及声学模态分析 铁路客车在2 0 2 0 0 h z 频率范围内的低频噪音与处于此频带范围内的汽车、轮船、 飞机乘坐室( 舱) 的低频噪声分析十分相似，尽管它们的激励性质不同，但是其内部的声 场都受以下三个部分的影响：一是腔体内的声学模态特性，二是周围结构的动力学特性， 三是声场结构的耦合特性。此外，当激励频率接近系统固有频率时，产生共振，由于声 振耦合作用，内部的噪声可能增大。 铁路客车车身结构模态参数反映客车车身结构的固有振动特性，对车内的噪声有重 要影响。当轮轨和牵引电机作用的载荷通过转向架传递到车身上时，激发车身壁板振动， 结构的振动会与车厢空腔声压相耦合，形成车厢内的空腔共鸣，从而增大车内噪声，特 别是当结构的某阶振动模态与空腔的某阶声学模态一致时，更会造成车内极大的声压。 因而车身结构模态分析是轨道客车噪声预测与控制的一个重要环节，准确计算车身结构 模态以及车厢空腔声学模态参数，包括固有频率、阻尼系数以及振型等为分析识别声源、 壁板声学贡献分析、噪声预测控制提供依据。 2 1 结构模态分析理论 模态分析的理论基础【3 6 - 3 7 1 是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的，它吸取了振动 理论、信号分析、数据处理、数量统计及自动控制理论，结合自身内容的发展形成了一 套独特的理论。传递函数反映系统的输入和输出之间的关系，反映系统的固有特性，是 系统在频域中的一个重要特征量，亦是频域中识别模态参数的依据。模态分析是将线性 定常系统微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐 标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。 设有一个n 自由度线性系统，其运动微分方程为 阻】辟 + 【c 肛 + k 肛) = 扩o ) ) ( 2 1 ) 其中泓】、【c 】、k 】分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵， x ) 、伍 、协) 及扩) 分别 为系统各点的位移、速度、加速度响应向量及激励力向量。l m i 、l k i 通常为实系数对 称矩阵，而l c l 则为非对称矩阵，因此方程( 2 1 ) 是一组耦合方程，当系统自由度很大 时，求解十分困难。能否将上述耦合方程变成非耦合的独立方程，这就是模态分析所要 解决的任务。 模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使微 分方程解耦，变成各个独立的微分方程。 设系统的初始状态为零，对方程( 2 1 ) 两边进行拉氏变换，可得： 9 大连交通大学工学硕士学位论文 p 2 阻】+ s 【c 】+ 医肛 ) = 【z ) 肛心) ) = 护 ) ( 2 2 ) 式中：x ) 与f ) 分别为系统各点位移响应与激励力的拉氏变换。【z ) 】反映了 系统的动态特性，故称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵，其逆阵阻 ) 】称为广义导纳矩 阵，或传递函数矩阵。 阻 ) 】= 【z ) r 1 = p 2 阻】+ s 【c 】+ k 驴1 ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可知： 芦 ) ) = 口 冰f ) ) ( 2 4 ) 在上式中，令s = 缈，则可得到系统在频域内输入与输出之间的关系式： 口0 ) = 陋0 冰f 0 ) )( 2 5 ) 式中：陋) 】为频率响应函数矩阵。 在阻0 ) 】矩阵中，第f 行第，列的元素为日。0 ) ，表示仅在坐标_ ，处激振时( 其余坐标 激振力为零) 时，坐标i 的响应与坐标_ ，出激振力之比。 0 ) = x ，0 ) c 0 ) ( 2 6 ) 令s = ，国，则式( 2 2 ) 变为： ( - 国2 m 】+ ，国 c 】+ 医肛0 ) = 扩0 ) ( 2 7 ) 这是一组耦合的方程组，为了解耦引入模态坐标。 令扛( 缈) ) = 眵】 g ( 2 8 ) 式中：眵】为振型矩阵；白) 为模态坐标。 将式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，得 ( _ 缈2 阻】+ _ ，缈 c 】+ k 髟) = 扩0 ) ( 2 9 ) 由于振型矩阵与质量矩阵、刚度矩阵呈正交关系，将质量矩阵与刚度矩阵对角化， 有： 4 t m 1 4 =；眵r k 髟】- 若系统的阻尼矩阵也被( 或近似被) 对角化，在结构阻尼、比例阻尼或小阻尼情况 下，有： 1 0 第二章铁路客车结构声学模态分析 r c i d - - 对式( 2 9 ) 左乘眵】r 得：( 一国2 阻】+ 弘【c 】+ k ) ) = 眵r 扩0 ) ( 2 1 0 ) 这样，相互耦合的n 自由度线性系统的方程组经过正交变换后，成为在模态坐标下 相互独立的n 自由度系统的方程组，解耦后的第f 个方程为： 【- 缈2 m i + j r o c , + k 妇 - 九e ( 2 1 1 ) j = 1 在任意坐标下，其响应为： 五= 办e ( 2 1 2 ) 霉l 从式( 2 1 1 ) 可知：采用模态坐标后，n 自由度振动系统的响应，相当于n 个模态坐 标下单自由度系统的响应之