复合式路面轮胎-路面噪声的有限元模拟分析

1、复合式路面轮胎-路面噪声的有限元模拟分析    摘要： 为深入研究复合式路面结构参数与轮胎-路面噪声的关系,本文利用Abaqus软件，构建路面、空气、轮胎相耦合的声学模型，通过改变路面结构参数的取值，计算目标点对应输出声压值，分析声压的变化特征，总结复合式路面结构参数对噪声的影响。     关键词：复合式路面；结构参数；声学模型     复合式路面是指由水泥混凝土板和沥青面层复合形成的结构，它兼有沥青路面和水泥路面的优点，多用于城市高架桥等市政道路和旧水泥路面的改建。与普通沥

2、青混凝土路面相比，复合式路面由于沥青层较薄、水泥混凝土层模量高，车辆行驶时其噪声偏大。近年来，随着车流量和行驶车速的不断增加，道路沿线的交通噪声问题已经越来越引起人们的重视，而复合式路面的噪声问题也日益突出，尤其是对于城市高架桥形式的复合式路面结构。本文针对复合式路面轮胎-路面噪声进行分析，有一定的现实意义。随着计算机技术的发展，各种声学软件层出不穷，如有限元软件、边界元软件、能量分析法软件等。这些软件的功能各有千秋，其中有限元对中低频具有较好的模拟，而能量分析法的软件对高频模拟较好。鉴于轮胎-路面噪声的频率主要集中在1000Hz左右，论文选用大型商业有限元软件Abaqus，版本为6.9-1。

3、1.模型部件的构建轮胎-路面噪声主要是轮胎与路面撞击所产生，涉及到三个物体：空气、轮胎、路面结构，对应的有三种界面接触形式：轮胎与路面、空气与轮胎、空气与路面，模型即由三个部件耦合形成。1.1 路面部件论文复合式路面结构以PCC+AC为例来构建。为了叙述方便，将上面层称作面层，下面层称作基层。由于复合式路面基层以下部分对噪声几乎没有什么影响，因此可以把路面简化成面层和基层两块。对于在水泥混凝土桥面板上加铺沥青面层的城市高架桥，桥面板可等效看成水泥混凝土基层，因此高架桥结构也可简化成面层和基层的形式。沥青层厚4cm，水泥板厚20cm，如图1所示，路面三维空间尺寸如下：长2m、宽1.14m、厚0.

4、24m，形状为立方体。图1 复合式路面结构简图1.2 轮胎部件参照GBT 2978-2008 轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷中的轮胎相关尺寸，取值如下：外径50cm，宽度14cm。1.3 空气部件空气是无限的，有限元软件只能模拟有限的空间体。空气的空间形状有很多不同的模拟形式，常用的是四分之一球体和六面体。本文根据轮胎和路面的尺寸，使空气、轮胎、路面三者在空间位置上对应起来，设定空气的三维尺寸如下：长2m、宽1.14m、高1m。空气密度1.2 kg/m3，体积模量142000Pa。空气模型定位在路面结构上方，两者接触面尺寸一致。空气模型正中部分挖出一个半径为25cm、宽度为14cm的圆柱体，将

5、轮胎定位在该圆柱体空间中。2 模型的有限元运算在Abaqus的Assembly模块中，将上述各部件创建完实体后，通过平移命令使各个实体在空间上构建成一个整体。Interaction模块中用Tie绑定约束来定义接触界面的关系。使用*tie的接触模型，使结构和空气产生耦合，从而使结构的振动传递到空气中，引起空气振动，进而产生噪声。同时结构的变形也将导致空气体积的变化，进而产生声压形成噪声。为了方便获得输出结果，模型中创建历史变量输出点。历史变量输出结果（history output）来自于模型的小部分区域，被写入输出数据库的频率相对较高，用来在Visualization功能模块中生成XY图形，X轴

6、为时间，Y轴为声压。轮胎在路面上滚动行驶时，轮胎运动由旋转和平移所合成。轮胎转动时，与它接触的空气会发生扭曲和移动现象，因此轮胎前后噪声的声压级有差别，且差别有随着旋转速度的增加而增加的趋势。轮胎平动速度与旋转速度的数值相一致，平动时轮胎与路表相互作用，轮胎在平动过程中也发生垂直振动，垂直振动的幅度受路表纹理幅值（构造深度）和轮胎变形的影响。研究表明路面构造深度一般不超过1mm，因此轮胎产生的振动的垂直距离就更小，加上轮胎受压和释压过程垂直距离的变化，论文将轮胎垂直振动距离设定在0.1mm-3mm这一区间，在Load模块中通过对轮胎与路面接触处施加垂直方向上的位移实现。通过设定这一垂直振动区间

7、，可以起到如下几个作用：1.垂直振动使轮胎产生变形，这构成了噪声声源的重要部分；2.使用不同的位移数值，得到轮胎振动时不同的垂直距离所对应的声压值，该值侧面反映纹理幅值（构造深度）对噪声的影响；3.文中假设在分析区域纹理处在较为规则的水平，即纹理波长与纹理幅值变化不大，所施加的位移周期可以通过时间值来进行设定，而一个周期的时间长度对应着一个纹理的波长值，通过改变周期描述纹理波长对噪声的影响。轮胎、路面、空气三者紧密联系在一起，当轮胎平动时，模型中包裹轮胎的空气形状会随之发生改变，三者的接触界面也会变化，这种与真实情况接近的动态模型非常复杂。为了简化计算过程，对模型做了以下处理：1.保持轮胎、路

8、面、空气三者的空间位置不变，给轮胎施加旋转速度；2.给轮胎施加垂直的位移，通过Amplitude控制位移的周期；3.轮胎的平动涉及到模型整体坐标系与局部坐标系的改变，暂不考虑。模型中实体均为非独立形式，划分网格时，路面结构采用C3D8R单元，空气采用AC3D4单元。划分后如图2所示：图2 声学模型的网格划分声波在空气媒介中传播，需要定义声波的传播方式，即在有限元声学模块中调用自带的声学公示来模拟声波的传播特性。在提交运算之前，编辑模型属性，定义声波的传播类型为：Scattered wave（散射波）。散射波从物理学角度来说，指的是如果界面凹凸不平，在凹(或凸)部分的尺度相对于波长很小时，发生波

9、的反射；相对于波长较大或可比时则发生散射，散射波比较符合轮胎-路面噪声声波传播的实际情况。提交运算后，提取声场输出结果，截取声场云图，如下所示，其中图3是轮胎纵向中心线的断面图和横向中心线的断面图。图3 轮胎纵向和横向中心线的断面声场云图从图可看到声波在空气体中传播的状态，即在一个断面上声波是连续的并且以近似半圆的形状向周围传播，声压值随着距离的增加而逐渐降低。扩展到三维空间体中，噪声产生后，声波自声源处以近似半球体的形状向四周传播，声波在传播过程中逐渐衰减直至最后消失。通过Abaqus有限元计算面层和基层的模量、振动幅值、振     动频率和面层厚度对

10、行车噪声的影响，其他变量在模型中保持不变。上述变量的取值见表1：表1 模型中噪声影响因素的取值情况变量名称取值面层模量（MPa）10001400180022002600基层模量（MPa）25005000100002000040000振动幅值（mm）0.10.5123振动频率（Hz）5001000125016662000面层厚度（cm）481216计算过程通过部分编写*.inp文件来实现。模型输入文件（*.inp）是沟通前处理器（通常为ABAQUS/CAE）与分析求解器（通常为ABAQUS/Standard）的桥梁，包含了一个数值模型的完整描述。它是易于辨识的、基于关键字的文论文件，可使用文本编

11、辑器方便地进行修改。文中在首次运算的*.inp文件基础上对相应部分的变量直接进行修改，提交运算即可。面层厚度的影响需要另建模型分别计算，取面层和基层总厚度为固定值30cm。3 计算结果处理与分析在各历史输出结果中，取声压正负向峰值绝对值的平均数来作为分析的基础数据，所得到的声压为Lmax，指的是所计算的时间区间内的最大声压。将各参数与输出声压绘制成曲线图，如图4图8所示：  图4 面层模量与输出声压关系图        图5 基层模量与输出声压关系图  图6 振动频率与输出声压关系图       

12、; 图7 振动幅值与输出声压关系图图8 面层厚度与输出声压关系图图4中，噪声声压级随面层模量的增加出现先小幅度增大后基本稳定的趋势，面层模量从1000Mpa增加到约2200MPa，声压级随着增加约1.5dB，在面层模量超过2200MPa之后，声压级出现小幅度波动。图5中，噪声声压级随基层模量的增加呈先小幅度增加后保持稳定的趋势。基层模量从2500MPa增加到约20000MPa，声压级增加约0.5dB；基层模量从20000MPa到40000MPa，声压级基本不变。由此可见，噪声的声压级随面层和基层模量的增加均表现出线增加后稳定的特点。但是，面层模量对噪声的影响强于基层模量，这是因为在车辆行驶过程

13、中，面层直接和轮胎接触，基层则需要通过面层的传递才能体现出来。图6中，噪声声压级随振动频率的增加先增大后减小，振动频率从500Hz增加到约1000Hz，声压级增加了大约9dB，振动频率从1000Hz增加到2000Hz，声压级降低约9dB，500Hz与2000Hz所对应的声压级几乎相等。图中显示的是在不同频率下的声压级，其逆过程就是不同声压级所分布的频率范围。这表明，噪声声压级主要分布在中低频率范围内，即600Hz1400Hz，该计算结果与国内外许多研究相一致。图7中，噪声声压级随振动幅值的增加先小幅减小后增大，振动幅值从0.1mm增加到约0.8mm，声压级减小不到0.5dB，振动幅值从1mm增

14、加到3mm，声压级增加约4.5dB。振动幅值可理解为在光滑平面上道路表面纹理幅值和轮胎变形共同合成的结果，当幅值在较小的范围内（论文小于0.8mm）增加时，泵浦效应和耗散减小的噪声值大于撞击增加的噪声值，总体声压级减小；当幅值大于1mm后，幅值的增加导致撞击噪声增加值远大于泵浦效应和耗散减小的噪声值，总体噪声就开始增大。计算结果与前文所述以及国内外的研究成果相符合。图8中，在刚柔结构总厚度一定的情况下，噪声声压级随沥青层厚度的增加而略微降低，厚度达到12cm噪声几乎不再变化。分析如下：路面结构中的各层位置越往下对噪声的影响越弱，随着沥青层厚度的增加，具有高模量的水泥基层对噪声的影响力变弱，声压级因此而降低，但降低的数值很小。由此可见，当复合式路面的沥青面层达到足够厚度时，其声学性能接近普通沥青路面，这也证明了复合式路面噪声较高。4 结论本文利用有限元软件构建复合式路面噪声的声学模型，通过改变目标变量的取值得到路面结构参数与输出声压的关系。计算结果表明，输出声压随模量的增加先小幅度增加后保持稳定，随振动频率的增加先增加后减小，随振动幅值的增加先小幅度减小后增加，沥青面层厚度的逐渐增加使复合式路面的声学特征逐渐接近沥青路面。本文的声学模型建立在一定的假设和简化基础上，软件所计算的输出声压高并不代表实际路面的噪声