橫向隔板對鐵路箱型梁的減振降噪效果研究*

許代言

湖南省高鐵運行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006

1 箱型梁噪聲輻射有限元-邊界元計算模型

1.1 箱型梁有限元模型及橫向隔板設(shè)置

在列車的輪軌動力作用下鐵路箱型梁產(chǎn)生結(jié)構(gòu)二次振動并引發(fā)低頻噪聲輻射，這種低頻的結(jié)構(gòu)噪聲穿透力強，對人體健康危害極大。以32m鐵路高架箱型梁為研究對象，利用ANSYS建立三角隔板、整體隔板和翼緣隔板3種不同工況的32m鐵路箱型梁有限元模型，如圖1所示。其中，支座剛度K1為3.38×109N/m，鐵路箱型梁體材料的彈性模量E取36.2GPa，密度ρ取2500kg/m3，泊松比μ取0.2，阻尼比ζ取0.03，扣件的垂向剛度K2取6×107N/m，扣件阻尼C取104N?s/m，設(shè)扣件的間距l(xiāng)為0.625m。模型中橫向隔板的間距均取4m，橫隔板的厚度取20cm，改進后箱型梁的其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和屬性與原箱梁模型一致。

圖1 3種不同工況的32m鐵路箱型梁有限元模型

1.2 箱型梁邊界元模型

利用聲振耦合分析軟件Sysnoise建立鐵路箱型梁的間接邊界元模型。其最大網(wǎng)格單元的邊長不能超過計算頻率最短波長的1/6，即按式（1）確定邊界元網(wǎng)格尺寸：

式中：L為邊界元網(wǎng)格劃分單元的最大尺寸，m；c為空氣中聲音傳播速度，c=340m/s；fmax為邊界元模型的最大計算頻率，Hz。

采用間接邊界元法提取結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格作為聲學(xué)邊界元網(wǎng)格，提取箱梁跨中橫截面作為獲取聲輻射水平的計算網(wǎng)點。由式（1）可知，當(dāng)該模型的最大計算頻率取177Hz時，為了提高計算效率，鐵路箱梁的邊界元網(wǎng)格劃分時單元尺寸L取最大值0.32m。

2 垂向輪軌力求解

采用UM軟件建立CRH2型列車多體動力學(xué)分析模型，每節(jié)列車有2個轉(zhuǎn)向架，共4個輪對，包含軸箱、空氣彈簧、轉(zhuǎn)向架、車體等組件。按幾何形位合理組裝得到CRH2型車整車模型，基本參數(shù)轉(zhuǎn)向架中心距為17500mm，軸距為2500mm，車輪滾動圓橫向跨距為1493mm，車路滾動圓直徑為860mm，輪對內(nèi)側(cè)距為1353mm，車輪外形采用LMA；鋼軌型號采用60kg/m。

為了預(yù)測箱型梁振動產(chǎn)生的噪聲，將輪軌作用力簡化為垂向激勵加載到箱型梁的鋼軌上，求解鐵路箱型梁的振動響應(yīng)。輪軌表面不平順激勵采用德國低干擾譜，最終得到輪軌垂向力時程曲線圖，如圖2所示。為了提高運算效率，取2節(jié)CRH2列車輪軌垂向力進行模擬加載，設(shè)定列車運行速度為180km/h。

圖2 輪軌垂向力時程曲線圖

3 噪聲輻射水平分析

為了研究在列車動荷載作用下鐵路箱型梁的結(jié)構(gòu)振動和頻率響應(yīng)特性，求解3種不同橫隔板改進措施下鐵路箱型梁的翼緣端點處的垂向振動加速度。將一節(jié)車廂4個輪對簡化為8個集中力，每隔6.4×10-4s加載一個力。利用ANSYS軟件編寫命令流實現(xiàn)模擬鐵路箱型梁右邊單側(cè)行車，采用完全法求解鐵路箱型梁翼緣端點處瞬態(tài)響應(yīng)。鐵路箱型梁跨度為32m，為了提高計算效率，加載2節(jié)列車輪軌力通過鐵路箱型梁。

將箱型梁各點垂向振動加速度作為聲學(xué)邊界元的初始條件，輸入聲振耦合分析軟件Sysnoise求解箱型梁附近場點的聲壓級。考慮人體身高因素，在鐵路箱型梁跨中橫截面距地面1m高沿水平方向選取5個聲壓級計算點，編號為D1～D5，距橋體中心線水平距離分別為0m、5m、10m、20m、25m。

不同類型橫隔板的箱型梁場點最大聲壓級如圖3所示，設(shè)置橫隔板的措施對鐵路箱型梁有明顯的減振降噪效果，設(shè)置三角隔板和整體橫隔板使鐵路箱型梁跨中正下方（D1處）的最大聲壓級降低約4～5dB；在距鐵路箱型梁跨中25m處，設(shè)置整體橫隔板使受聲點最大聲壓級降低8dB。分析可知，設(shè)置整體橫隔板的綜合降噪效果最佳，設(shè)置三角形隔板對箱型梁跨中正下方降噪效果較好，遠場點降噪效果較整體式橫隔板要弱，在翼緣設(shè)置橫隔板的降噪效果較弱。

圖3 不同類型橫隔板的箱型梁場點最大聲壓級

4 結(jié)論

文章通過有限元軟件ANSYS和聲振耦合分析軟件Sysnoise建立鐵路箱型梁噪聲輻射有限元-邊界元計算模型，設(shè)置3種不同橫隔板進行結(jié)構(gòu)改進，分別求解翼緣振動加速度和跨中各受聲點最大聲壓級。計算結(jié)果表明，通過設(shè)置橫隔板的措施可以減小鐵路箱型梁的低頻振動和的結(jié)構(gòu)噪聲輻射，為穿過城區(qū)人口密集區(qū)的既有鐵路箱型梁低頻噪聲治理提供了一種思路；3種措施中設(shè)置整體橫隔板的降噪效果最佳，三角隔板次之，僅在翼緣設(shè)置橫隔板的降噪效果不明顯。