基于有限元-无限元法的列车声辐射.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第27 期2023,23(27):11810-06科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T引用格式:朱程,郑天锐,徐力,等.基于有限元-无限元法的列车声辐射J.科学技术与工程,2023,23(27):11810-11815.Zhu Cheng,Zheng Tianrui,Xu Li,et al.Train sound radiation based on finite-infinite element methodJ.Science Technology a
2、nd Engi-neering,2023,23(27):11810-11815.交通运输基于有限元-无限元法的列车声辐射朱程1,郑天锐1,徐力1,金鑫1,汤学军1,周劲松2(1.中车南京浦镇车辆有限公司技术中心,南京 210031;2.同济大学,铁道与城市轨道交通研究院,上海 201804)摘 要 基于有限元-无限元理论,建立某型车的有限元模型,设置车辆近场监测点、远场监测面及无限元边界面,利用直接频响方法对头车、中间车及尾车的关键区域在不同频率下的声场特性进行分析。计算结果表明:头车和尾车区域在低频区段(100 Hz 以内)时车体顶部平滑区域的声辐射较小,在鼻尖及其下方的转向架区域的最大声压
3、级为 153 dB,其中尾车后方区域相比头车区域的声压级水平和声辐射范围偏大,存在明显的流场影响,但在高频区段时其整体声压级均匀且水平较低。中间车在低频区段时受电弓区域的最大声压级为 158 dB,在碳滑板和底架处尤为明显,其次在转向架区域的声辐射能力较大,随着频率的提升,其能量有显著的衰减。研究结果对高速列车的气动声学设计具有一定的参考价值。关键词 有限元-无限元法;气动声学;车辆;声压级中图法分类号 U270.16;文献标志码 A收稿日期:2022-11-26;修订日期:2023-06-27基金项目:国家自然科学基金(51805373);中央高校基本科研业务费专项(22120210558)
4、第一作者:朱程(1993),男,汉族,江苏东台人,硕士,工程师。研究方向:列车轮轨及气动噪声。E-mail:。Train Sound Radiation Based on Finite-Infinite Element MethodZHU Cheng1,ZHENG Tian-rui1,XU Li1,JIN Xin1,TANG Xue-jun1,ZHOU Jin-song2(1.Technology Center of CRRC Nanjing Puzhen Co.Ltd.,Nanjing 210031,China;2.Institute of Railway and Urban Rail Tr
5、ansit,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract Based on the finite element-infinite element theory,the finite element model of a certain type of vehicle was established,and the vehicle near-field monitoring points,far-field monitoring surfaces and infinite element boundary interfaces were se
6、t,and the di-rect frequency response method was used to analyze the sound field characteristics of the key areas of the head car,the middle car andthe tail car at different frequencies.The calculation results show that the sound radiation of the smooth area on the top of the car bodyis small when th
7、e head car and tail car area are in the low frequency range(within 100 Hz),and the maximum sound pressure level ofthe bogie area at the nose tip and below is 153 dB.The sound pressure level and sound radiation range of the rear area of the tail carare larger than that of the head car area,and there
8、is obvious flow field effect,but the overall sound pressure level is uniform and lowin the high frequency range.The maximum sound pressure level of the intermediate car in the pantograph area in the low frequencyrange is 158 dB,especially at the carbon slide plate and underframe,and the sound radiat
9、ion capacity in the bogie area is relativelylarge.With the increase of frequency,its energy has a significant attenuation.The research results have certain reference value for theaeroacoustic design of high-speed trains.Keywords finite-infinite element method;aeroacoustics;vehicle;sound pressure lev
10、el 高速列车在运行过程中,受气流扰动的影响会向周边空间进行声辐射,不仅影响车内乘坐的舒适性,而且对轨道线路周边的环境形成噪声污染,因此开展对车辆的声学特性研究具有重要意义。针对列车的气动声学研究,刘翰林等1基于大涡模拟和 FW-H(Fowcs-Williams-Hawkings)方程,研究了运行速度与各部件偶极子声源能量占比的相关性,并获取转向架区域的噪声贡献主体频段。王毅刚等2利用转向架区域以偶极子声源为主的声源特征,将气动声源等效为无数个球形声源的集合,建立高速列车偶极子声源识别方法,分析了流场产生声源的本质。赵萌等3利用涡模拟方法对非定常流场中的受电弓作业姿态进行分析,发现滑板区域和底
11、座区域在受电弓开口和闭口时受到的干扰程度最严重。朱程等4基于标准湍流模型,对车辆不同噪声源产生的气动噪声频谱特性进行了分析,发现车体和转向架噪声主频在 400 1 250 Hz,而受电弓主频出现在 500 Hz。朱剑月等5基于声类投稿网址:2023,23(27)朱程,等:基于有限元-无限元法的列车声辐射11811比方法分析了平行凹坑对转向架区域流场的影响,并通过风洞测试发现在列车排障器底部后端设置凹坑可抑制转向架区域流场剪切层的生长和发展。Li 等6声学模拟方法,研究了高速列车前车的气流气动噪声行为,发现在前车周围形成的湍流具有与几何结构分离的多尺度涡流的特征。Li 等7采用分离涡模拟方法对列
12、车的非定常流动进行了数值模拟和风洞实验,提出一种预测列车气动噪声的逐步计算方法,实现利用声源预测了列车的远场总噪声。以上研究结果对列车不同区域的气动特性开展了研究,但是关键部件对整车的声辐射特性研究工作开展得相对较少,因此基于气动仿真模拟方法,建立车辆气动噪声模型,对车辆不同区域的频谱特性进行分析,为后续研究提供一定参考。1 有限元-无限元法原理针对结构在声场全域的声辐射模拟,将其远场离散为无限元域,近场离散为有限元域,利用无限元边界面实现近场和远场的划分(图 1)。其中有限元域的声模拟通过有限元法实现,无限元域利用无限单元法8-9进行声模拟,通过定义虚拟节点提高模型的精准性。图 1 声辐射模
13、拟Fig.1 Acoustic radiation simulation利用声压对频域 Lighthill 方程进行描述为魪2p+k2p=2Tijyiyj(1)式(1)中:p 为频域声压;k 为波数且 k=/c0,其中 为声场的频率,c0为流体中的声速;i 和 j 分别独立代表坐标系(x、y、z)方向;Tij为频域 Lighthill 声源项,由 Tij经傅里叶变换得到。式(1)在有限域内变分和离散后的声场方程为(Ke-2Me)pe=Fe(2)式(2)中:Ke为刚度矩阵;Me为质量矩阵;pe为各节点的声压向量;Fe为等效声源向量。对于无限区域假设其为无穷大的“有限”单元,得到无限区域的声场方程
14、为(Ki-2Mi)pi=0(3)式(3)中:Ki、Mi分别为有限元的刚度、质量矩阵,pi表示声压向量。将式(2)与式(3)联合推导可知,全域的声场方程为(K-2M)p=F(4)式(4)中:K、M 为全域总刚度、总质量矩阵;p 为全域总声压向量,p=pepiT;F 为全域声源项,F=Fe 0T。轨道车辆的运行环境较空旷,气动噪声辐射主要来自地面,因此将列车的外声场模拟为半无限大的自由声场,地面默认为全反射刚性面,建立半椭球形的有限元-无限元声场,如图 2 所示。图 2 有限元-无限元声场Fig.2 Finite-infinite element sound field2 建立列车声场模型2.1
15、建立车辆模型基于某型动车组建立包含车辆的有限元模型,其外声场由有限元域、刚性边界面及无限元边界面三部分组成,其中车辆底部的地面设置为全反射的刚性面,考虑到车辆的实际几何轮廓与矩形接近,因此无限元边界面采用六面体进行包络建模,具体的声场模型如图 3 所示。2.2 设置监测面和监测点根据标准 GB/T 51112011声学 轨道机车车辆发射噪声测量 和 ISO 30952005 Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted byRailbound Vehicles,建立车辆外场的声辐射监测面,探究运行速度在300 km/h
16、时车辆的气动频响特性。由图 4 可知,在距离车辆轨道中心线的横向 0、7.5 m 和 25 m 处,分别对头车、尾车和中间车(带受电弓)设置声辐射监测面。针对车辆近场关键区域的声压级,采用有限元节点作为监测点,进行流场参数的收集和评估。针对转向架区域,监测点设置在轨面上方 0.5 m 处的转向架中心处,每个转向架处有 1 个监测点,共计 6投稿网址:11812科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(27)图 3 车辆的声场模型Fig.3 Vehicle sound field model图 4 车辆场外的噪声监测面分布Fig
17、.4 Noise monitoring surface distribution outside the vehicle yard个监测点;考虑到受电弓区域结构复杂,因此在受电弓的前后侧和碳滑板处共设置 7 个监测点;在车头和车尾的鼻尖区域(鼻尖处、距遮流板处 0.1 m处、司机室玻璃下方处)各设置 3 个监测点(图 5)。图 5 车辆近场区域的监测点分布Fig.5 Distribution of monitoring points in vehicle near-field area3 车辆声辐射的频响分析3.1 直接频响分析理论直接频响分析作为一种在特定频率区段内对外荷载响应进行过程描述的
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