一种移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法与流程

1.本发明涉及一种移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，应用于高速铁路轮轨噪声预测，属于铁路噪声仿真、计算方法技术领域。


背景技术：

2.高速列车在轨道上高速移动，产生的钢轨动力学问题较为复杂。其中的动力学初值、边值问题，涉及到几何非线性和状态非线性。并且，移动荷载下的钢轨响应，在目前技术水平下，显式和隐式动力学的计算效率较低。采用离散支撑梁模型的解析算法又过于简化，无法反应中高频钢轨横截面变形等模态的振动声辐射特点。
3.因此，提供一种移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，采用在有限元软件ansys中用apdl语言编写瞬态计算命令的方式，并联合acoustic软件，对高速铁路钢轨在移动激励下的钢轨振动声辐射响应进行高效计算，精度较高，计算较快。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，开发一种精细化高效计算方法，构建直线段上高速铁路离散支撑轨道精细化模型，研究移动荷载下瞬态有限元-边界元声振高效计算方法。
5.本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
6.一种移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，其步骤如下：
7.(1)建立钢轨离散支撑有限元-边界元模型；
8.(2)采用apdl命令流方法，对移动激励单轮激励和移动双轮相干激励下不同移动速度、激励频率下的瞬态响应进行计算；
9.(3)运用时-频分析方法对钢轨振动的空间-波数域响应特征解析，高效获得移动荷载下的钢轨振动响应特性；
10.(4)计算钢轨瞬态声辐射特性。
11.优选地，步骤(1)具体如下：利用有限元软件ansys中采用solid185单元建立轨道板模型，采用solid185单元建立钢轨模型，在钢轨和轨道板之间采用弹簧单元等间隔建立约束关系。
12.优选地，步骤(2)具体如下：采用apdl命令流，编制自动化命令，根据支撑有限元-边界元模型的长度和轮轨相对运动速度，建立载荷步作用时间，计算两轮作用下和单轮作用下的移动激励响应。
13.优选地，步骤(3)具体如下：对步骤2有限元模型计算得到的各模型节点加速度、速度、位移等信息进行apdl自动化提取，得到的数据流导入到matlab 中进行傅里叶变换，得
到频域的结果。
14.优选地，步骤(4)具体如下：将有限元模型计算结果转入到边界元模型中，采用包络方式建立钢轨的边界元模型，计算表面节点振动转化到声辐射的结果。
15.有益效果：本发明的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，采用在有限元软件ansys中用apdl语言编写瞬态计算命令的方式，并联合acoustic软件，对高速铁路钢轨在移动激励下的钢轨振动声辐射响应进行高效计算，精度较高，计算较快。
附图说明
16.图1为本发明实施例1的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法的流程图。
17.图2为本发明实施例1的钢轨网格的示意图。
18.图3为本发明实施例1的单轮移动激励通过时水平空间内声场分布图。
19.图4为本发明实施例1的场点处声压级响应时程曲线。
具体实施方式
20.除非特别说明，本发明实施例中涉及的零部件均为本领域的常规零部件，涉及的检测方法均为本领域的常规检测方法，所用的软件为本领域的常用软件。
21.实施例1
22.如图1所示，为本发明实施例1的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法的流程图；本发明的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法包括如下步骤：首先，根据移动力模型理论，建立钢轨离散支撑有限元-边界元模型；其次，移动激励下的钢轨响应，包括不同激励频率，不同移动速度，双轮相干激励；最后，移动激励下的钢轨瞬态声辐射，包括水平空间内的声场分布和场点声压级。
23.本发明的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，包括如下步骤：
24.(1)建立钢轨离散支撑有限元-边界元模型；利用有限元软件ansys中采用 solid185单元建立轨道板模型，采用solid185单元建立钢轨模型，在钢轨和轨道板之间采用弹簧单元等间隔建立约束关系；
25.具体如下：
26.轨道结构为沿纵向为对称结构，故取一半建立有限元模型，将轨道板和轨枕承轨台作为一体考虑，将混凝土底座视为刚性基础，通过弹簧单元combin14模拟 ca砂浆层与轨道板连接，轨道板采用solid185单元，其上60kg/m钢轨同样采用 solid185单元，轨道板和钢轨通过周期间隔分布的扣件系统连接，有限元模型中采用combin14单元模拟扣件系统；然后在virtual.lab acoustics平台上建立钢轨振动-声辐射边界元模型，以钢轨有限元模型为基础生成钢轨的声学包络网格，以有限元软件中计算得到的钢轨表面振动速度作为声学计算的边界条件，将钢轨振动速度频响数据转化到声学边界元网格上，采用直接边界元法计算钢轨的声辐射特性；
27.(2)采用apdl命令流方法，对移动激励单轮激励和移动双轮相干激励下不同移动速度、激励频率下的瞬态响应进行计算；
28.具体如下：
29.采用apdl命令流，编制自动化命令，根据支撑有限元-边界元模型的长度和轮轨相对运动速度，建立载荷步作用时间，计算两轮作用下和单轮作用下的移动激励响应；
30.(3)运用时-频分析方法对钢轨振动的空间-波数域响应特征解析，高效获得移动荷载下的钢轨振动响应特性，计算钢轨瞬态声辐射特性；
31.具体如下：
32.对步骤2有限元模型计算得到的各模型节点加速度、速度、位移等信息进行 apdl自动化提取，得到的数据流导入到matlab中进行傅里叶变换，得到频域的结果；
33.(4)计算钢轨瞬态声辐射特性；
34.具体如下：将有限元模型计算结果转入到边界元模型中，采用包络方式建立钢轨的边界元模型，计算表面节点振动转化到声辐射的结果。
35.下面结合附图进行详细说明：
36.在声学边界元软件virtual.lab acoustic中，利用瞬态边界元(transient bem) 方法，将ansys中的瞬态时序计算的有限元模型节点振动结果插值转移分配到声学边界元模型中，计算分析钢轨在自由声场环境中单频移动力序列激振下的声辐射，在时域内进行求解，得到时程响应特性，取500hz单轮移动简谐力激励下的振动响应结果进行瞬态边界元计算(时速300km/h的83.4kn单移动力激励钢轨、 500hz、钢轨长度6.5m)，轨道的瞬态边界元网格图2所示；
37.采用瞬态边界元的方法，对单轮移动简谐力激励钢轨的有限元模型进行计算，计算过钢轨轨顶的水平平面内的声压级分布，并在钢轨轨顶的水平面内设置距离钢轨5m、25m的场点，分析场点处声压级响应；如图3所示，为本发明实施例1的单轮移动激励通过时水平空间内声场分布图(0.1s时水平空间声压级分布云图)；通过图3可以看出，以时速300km/h移动力激励钢轨，全程激励时间为0.078s，在0.1s 时的声场分布，在距离钢轨较近的区域内，由于已经没有激励力，此区域内声压级略有下降，在其余区域的声压级，随着与钢轨的距离增加而减小，在水平面的分布相对较均匀；
38.如图4所示，为本发明实施例1的场点处声压级响应时程曲线；由图4可见，由于声速在空气中传播速度为340m/s，5m处场点在钢轨被激振后0.016s产生声压级响应，25m处场点在钢轨被激振后0.080s产生声压级响应，且场点声压级在一定范围波动，在一定周期(如100ms)内是相对平稳的；取两场点平稳时间段内(5m 处0.02～0.03s，5m处0.084～0.094s)计算平均声压级分别为5m处75.21db，25m处 54.25db；
39.列车在轨道上运行时，每个移动的车轮都会在钢轨上施加一个结构力，这些结构力可以看做是按照车辆车轴间距分布的移动力群，高速运动的车轮在钢轨上移动的物理过程，可以简化为受移动荷载作用的离散支撑弹性梁的宽频随机激振的振动过程，轮轨作用激振点的高速移动使钢轨前一激振点及附近的振动未完全衰减，就在下一激振点及附近产生振动并叠加，同时激励起来的钢轨导波如弯曲波沿钢轨传递和累积相互作用，与低速或静态激励下的钢轨振动特性相比，发生很大变化；
40.高速铁路轮轨噪声的计算仿真需要掌握钢轨的振动声辐射特性，列车高速运行于
钢轨上，车轮和钢轨在各自表面粗糙度的接触相互作用下，可以看做无法用确定性函数描述但有一定统计性规律的随机振动过程，同时具备峰值波长激励下的窄带尖峰特征和宽带特征。
41.本发明针对多轴列车宽频移动力群作用下的钢轨声振特性问题，利用有限元瞬态分析和瞬态边界元融合分析的方法，对移动荷载的宽频特性进行拆解，对多单频简谐激励下的钢轨的声振特性在时域-空间域内特性计算，并利用快速傅里叶变换，得到频域-波数域结果，对移动简谐激励下的钢轨声振特性进行计算。
42.另外，列车一个转向架两个车轴的四个车轮分两侧分布于轨道的两边钢轨上，两侧车轮通过车轴刚性连接，同轨道的两根钢轨通过轨道板或轨枕连接，同轨道的两根钢轨、同轴的两个车轮、同侧钢轨的两个车轮均存在耦合相关性，其中，同侧车轮在相干简谐移动激励下的钢轨声振特性也是本计算方法的内容。
43.本发明的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，通过建立钢轨离散支撑有限元-边界元模型，采用apdl命令流方法，对移动激励单轮激励和移动双轮相干激励下不同移动速度、激励频率下的瞬态响应进行计算，高效获得移动荷载下的钢轨振动响应特性，并对钢轨瞬态声辐射特性进行计算；为研究高速铁路轮轨噪声中的钢轨在移动激励下的振动和声辐射特性提供高效计算方法。
44.本发明的移动荷载下的精细化瞬态有限元-边界元高速铁路钢轨振动声辐射高效测量方法，开发一种精细化高效计算方法，构建直线段上高速铁路离散支撑轨道精细化模型，研究移动荷载下瞬态有限元-边界元声振高效计算方法。