[发明专利]基于功率流‑边界元模型的高架轨道交通振动噪声仿真预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于功率流振动计算模型和边界元声辐射计算模型的高架轨道交通桥梁和轨道噪声综合仿真预测方法，可应用与城市轨道交通高架桥梁结构和轨道结构的设计与声环境评估，属于轨道交通振动与噪声领域。

背景技术

随着城市化进程的持续推进和经济的快速发展，城市公共交通面临的压力日益增大。集经济、环保、节能、高效和安全于一体的轨道交通，是我国人口密集城市交通建设的最佳选择。轨道交通高架线建设周期短、费用低，运营后维护便利，成为郊区线路的优先考虑形式。但高架线路的噪声污染重于地下线，已成为制约其发展的重要因素。

轨道交通噪声包括轮轨噪声、集电系统噪声、空气动力噪声和桥梁结构噪声。对于中低频噪声，人们通常仅研究轨道噪声，或者仅研究桥梁噪声。实际上，在中低频噪声中，轨道噪声和桥梁噪声均占重要地位，因此，采用统一的方法对轨道噪声和桥梁噪声进行准确、高效地预测至关重要，有效的预测方法也为有针对性的采取减振降噪措施提供依据。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，以实现计算桥梁和轨道在中频区段的辐射噪声，提高计算精度，适用于不同桥梁和轨道结构类型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的基于功率流-边界元模型的高架轨道交通噪声仿真预测方法，包括如下步骤：

（1）确定轨道交通桥梁结构噪声预测参数，所述噪声预测参数包括车辆参数、轨道结构参数、桥梁参数、轮轨组合粗糙度谱及行车速度；

（2）根据众多实测时A声级下桥梁噪声与钢轨噪声的峰值频率，确定计算的频率范围为中频；

（3）根据步骤(1)所选的轨道交通桥梁结构噪声预测参数，建立桥梁结构三维有限元模型，进行模态分析，得到桥梁模态信息；

（4）根据步骤（3）得到的桥梁模态信息以及步骤(1)得到的轨道结构参数，建立轨道-桥梁功率流数值模型，在跨中位置的轨道上作用不同频率的单位简谐力，计算结构的振动响应，得到各频率下的振动功率幅值。考虑单节车辆长度范围内的车轮总数，根据功率叠加原理，计算单位长度桥梁、轨道的振动功率；根据车轮与轨道接触点处的位移协调条件，结合步骤(1)得到的轮轨组合粗糙度谱，计算轮轨组合粗糙度谱激励下的轮轨竖向接触力谱，然后结合已算得的单位粗糙度下的桥梁和轨道振动功率，得到实际粗糙度激励下的单位长度桥梁和轨道的随机振动功率；

（5）建立桥梁和轨道的二维有限元模型，分别进行桥梁模态分析、轨道模态分析并生成表面网格文件，根据桥梁模态分析和轨道模态分析分别进行单位简谐力响应振动计算，得到二维有限元模型谐响应的表面振速。根据生成的表面网格文件建立包含桥梁与轨道的二维边界元模型，以二维有限元模型谐响应的表面振速作为声学边界条件，得到桥梁和轨道在单位简谐力作用下的振动功率和场点声压；

（6）依照步骤（4）中的随机振动功率和步骤（5）中的振动功率的关系，对边界元模型计算出的桥梁和轨道辐射场点声压进行缩放，得到实际的声压，然后根据声压叠加原理计算轨道和桥梁的总辐射噪声。

本发明中，所述步骤（3）中，桥梁结构用三维实体单元模拟，二期恒载用质量单元模拟，桥梁模态分析频率范围为中频。

本发明中，所述步骤（4）中，轨道-桥梁功率流数值模型中，轨道用无限长欧拉梁模拟，轨道与桥梁之间的扣件用弹簧单元模拟，以弹簧力（包括回复力和阻尼力）为基本未知量建立轨道-桥梁系统力法方程。在钢轨上某车轮位置作用竖向单位正弦荷载，各弹簧处的位移协调方程为 

其中：为单位正弦荷载圆频率；为未知弹簧力列向量；为单位正弦荷载引起的弹簧压缩位移列向量；为结构动柔度矩阵；为弹簧动柔度矩阵。解此方程即可得各弹簧力（m为第m个弹簧单元），进而求出各弹簧节点的位移。然后，根据位移和速度的关系，计算各弹簧的节点速度（a为第m个弹簧单元的a节点），接着可得通过第m各弹簧输入到各结构的功率为：

其中;表示复数共轭。

本发明中，所述步骤（4）中，计算出单位粗糙度激励下，考虑多个轮子作用在钢轨上时单位长度桥梁和钢轨的振动功率分别为和，计算公式如下：