轨道交通车致振动的二次结构噪声快速计算方法与流程

1.本发明涉及轨道交通领域，尤其是一种由轨道交通引起的建筑物车致振动辐射的二次结构噪声快速计算方法。


背景技术：

2.随着高铁、地铁等轨道交通快速发展，逐渐形成“轨道-城市”融合发展的绿色高效发展模式，而列车通过时对沿线环境及建筑物产生的车致振动及二次结构噪声问题逐渐涌现。长期的列车荷载会影响结构安全性；此外建筑构件在列车荷载作用下振动也会辐射低频结构噪声，相比高频噪声更易对人产生长期性的健康危害。目前，时程有限元计算方法在由轨道交通引起的沿线环境/建筑车致振动及二次结构噪声的预测研究中已得到广泛的应用。
3.如图1所示，时程有限元分析方法(finite element method,fem)的主要思路是通过“列车
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轨道”模型获取列车荷载，然后通过“轨道-土体-建筑”模型获取时程车致振动响应。二次结构噪声则是在获取建筑振动响应基础上通过声学边界元/有限元方法计算得到。有限元方法可以更加真实且具体的描述包括轨道、线路、土层、建筑结构等主要参振环节的细节特征，但由于实际研究对象的结构形式复杂，空间尺度巨大，构建和求解这些模型所需时间成本非常昂贵。
4.因此迫切需要快速准确的车致振动二次结构噪声计算方法。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种轨道交通车致振动的二次结构噪声快速计算方法。
6.本发明公开的轨道交通车致振动的二次结构噪声快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.在振动分析模型中，将整个建筑有限元模型离散为若干个网格组，将需要评价二次结构噪声的网格组定义为评价点网格组，定义评价点网格组需要输出的结果类型，计算并输出评价点网格组的振动结果文件；
8.将评价点网格组的振动结果移植到声辐射计算模型上，在频域内计算二次结构噪声。
9.进一步地，在输出评价点网格组的振动结果文件后，先对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译，使其重新整合，以便于将评价点网格组的振动结果移植到声辐射计算模型上时。
10.进一步地，所述评价点网格组的振动结果文件包括评价点网格组内每个单元节点的节点编号、坐标位置，以及每个单元节点上的时程振动结果。
11.进一步地，在对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译时，利用节点编号、坐标位置在声辐射计算模型上生成与振动分析模型评价点网格组一致的有限元网格，并将每
个单元节点上的时程振动结果一一对应到声辐射计算模型的有限元网格上。
12.进一步地，开发“振动-噪声”数据接口，对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译。
13.进一步地，先通过对时程振动结果进行傅里叶变换完成振动响应的时频转换生成频域振动结果，再对应到声辐射计算模型的有限元网格上。
14.进一步地，在计算二次结构噪声时，生成声学计算域网格，将频域振动结果映射到声学计算域网格表面上。
15.生成场点网格，用于输出噪声计算结果；
16.进一步地，应用自适应阶次有限元技术，在频域内快速计算二次结构噪声。
17.进一步地，所述时程振动结果包括垂向振动位移、速度以及加速度。
18.进一步地，计算出二次结构噪声后，导出评价点的噪声结果包括噪声特性的频谱、等效 a声级、声压分布云图，所述噪声特性包括声压、声压级、声功率、声功率级。
19.进一步地，在计算二次结构噪声时，采用自适应阶次有限元技术进行计算。
20.本发明的有益效果是：本发明在计算车致振动时，将整个超大尺度的建筑有限元模型进行离散，仅输出提前定义的评价点网格组的振动结果，将振动分析模型中的评价点网格组及其振动结果移植到声辐射计算模型上，并利用自适应阶次有限元技术在频域内求解二次结构噪声，解决了快速计算轨道交通引起的沿线环境/建筑车致振动及二次结构噪声问题，可以缩短计算用时，降低计算成本。
附图说明
21.图1是现有的二次结构噪声预测流程示意图；
22.图2是本技术的二次结构噪声快速计算流程示意图；
23.图3是本技术中评价点网格组的示意图；
24.图4是实施例中“轨道-土体-建筑”模型示意；
25.图5是实施例振动计算结果与试验数据对比；
26.图6是实施例中噪声计算结果与已发表文献结果对比。
具体实施方式
27.下面对本发明进一步说明。
28.本发明公开的轨道交通车致振动的二次结构噪声快速计算方法，包括如下步骤：
29.在振动分析模型中，将整个建筑有限元模型离散为若干个网格组，将需要评价二次结构噪声的网格组定义为评价点网格组，定义评价点网格组需要输出的结果类型，计算并输出评价点网格组的振动结果文件；
30.将评价点网格组的振动结果移植到声辐射计算模型上，在频域内计算二次结构噪声。
31.振动分析模型通常在振动分析软件中建立，振动分析软件是划分轨道交通沿线敏感建筑物网格组，定义输出结果类型，计算车致振动响应的工具。振动分析软件可以采用gts midas 等。在振动分析软件中建立完整的“轨道-土体-建筑”有限元模型后，根据振动噪声评价需求定义评价点网格组，即需要评价其振动及二次结构噪声水平的区域所在的网
格组，如图3所示，其网格/节点数量远远小于整个建筑有限元模型，可节约进行时程振动响应的计算时间。然后定义结果输出文件内容，结果类型根据后续二次噪声的计算需求确定，上述内容定义好后进行时程振动分析，仅计算并输出评价点网格组内定义的振动结果，避免因求解并输出超大尺度建筑有限元模型的多种动力响应参数而产生的高昂计算成本。
32.二次结构噪声的计算需要在声辐射计算模型上完成，声辐射计算模型通常在噪声分析软件中建立，因此，将评价点网格组的振动结果移植到声辐射计算模型上进行二次结构噪声计算。噪声分析软件可以采用lms virtual lab等。可采用自适应阶次有限元技术(finite elementmethod adaptive order,femao)在频域内计算二次结构噪声。自适应阶次有限元技术可自动根据计算频率调整网格阶次，适当放宽声学网格尺寸来减少网格数量，从而减少求解时间。
33.振动分析软件输出的振动结果文件的类型是按照需求事先定义的，因此可以根据噪声分析软件的需求的信息和格式进行定义，但是，多数情况下，振动分析软件输出自定义的评价点网格组振动结果是离散的，振动结果文件格式不能够被噪声分析软件直接读取。因此，优选将对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译，使其重新整合，以便于将评价点网格组的振动结果移植到声辐射计算模型上时。
34.评价点网格组的振动结果文件根据二次噪声的计算所需数据确定，例如在本技术的优选实施例中，所述评价点网格组的振动结果文件包括网格组内每个单元节点的节点编号、坐标位置，以及每个单元节点上的时程振动结果。如每个节点的编号(1,2，
…
，n)、坐标(xi，yi，zi)，所述时程振动结果可包括垂向振动位移、速度以及加速度等信息。当然，根据计算需求和分析软件的不同，定义的振动结果文件类型也可能不同。
35.针对上述振动结果文件，在对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译时，利用节点编号、坐标位置在声辐射计算模型上生成与振动分析模型评价点网格组一致的有限元网格，并将每个单元节点上的时程振动结果一一对应到声辐射计算模型的有限元网格上。如此，即可实现网格组振动结果从有限元振动分析软件至噪声分析软件的移植，可适用于目前绝大多数振动和噪声分析软件。为了方便实现这一过程，还可以专门开发“振动-噪声”数据接口，对评价点网格组的振动结果文件进行二次编译，“振动-噪声”数据接口可以采用通过matlab编程开发。
36.二次编译后的在噪声分析软件中生成与振动分析模型评价点网格组一致的有限元网格，即图2中的结构网格，并将振动结果对应到此结构网格中。为便于进行频域振动声辐射的计算，优选先通过对时程振动结果进行傅里叶变换完成振动响应的时频转换生成频域振动结果，再对应到声辐射计算模型的有限元网格上。然后再生成基于自适应阶次有限元技术的声学计算域网格，即图2中的声学网格，将频域振动结果映射到声学计算域网格表面上；再生成场点网格，用于输出噪声计算结果；应用自适应阶次有限元技术，在频域内快速计算二次结构噪声。计算完成后，噪声分析软件可读取并导出该评价点的噪声特性的频谱、等效a声级、声压分布云图等多种噪声结果形式，噪声特性包括但不限于声压、声压级、声功率、声功率级。
37.实施例
38.以某铁路沿线四层砖混建筑为实施例对本发明申请进行说明。
39.四层砖混结构楼房，现场情况与模型示意及主要参数如图5和表1所示。采用时域
分析法计算车致振动响应，列车运行速度为80km/h，通过时间为8s，计算时间步长设置为0.002 s；振动结果经fft后在频域内求解声学响应，分析带宽及频率分辨率分别为250和0.125hz。
40.表1算例土体参数
[0041][0042]
为说明femao技术用于求解二次结构噪声存在的优势，传统fem以及femao技术的计算效率对比如表2所示。
[0043]
表2 fem与femao计算效率对比
[0044][0045][0046]
由表2可得，采用femao方法计算二次结构噪声，使用数量更少的声学有限元网格模型便可准确计算更高频率的声学响应；同时在计算机硬件条件一致的情况下，femao方法计算时占用内存更低，求解时间可节省3倍。说明femao技术对于减少网格数量，降低计算成本具有极大的优势。
[0047]
铁路沿线建筑一层地板处垂向振动的试验与仿真结果对比如图6所示。
[0048]
由图5可得，在振动响应显著的10～63hz频段内试验与仿真结果基本一致，楼板垂向最大分频振级仿真结果为75.4db，试验结果为74.4db；结果的差异主要体现在100hz以上的高频区域，而此范围内建筑振动水平较低，不会对整体振动水平产生影响。大量研究结果也表明建筑的车致振动由40～63hz的低频振动主导，因此可认为仿真模型基本能够反映建筑车致振动的实际情况。
[0049]
如图6所示为采用本技术方法计算得到的二次结构噪声结果与已发表结果的对比，大量研究结果均表明二次结构噪声主频集中在40～63hz范围内，最大声压级约为60～70db；其他频段内声压级分布范围为20～50db，等效a声级为40dba左右。本算例噪声主频为63hz，峰值为60.1db，等效a声级为41dba；频谱曲线也与参考文献基本一致。以上结果表明，本文计算方法基本能够反映列车荷载作用下沿线建筑的车致振动和二次结构噪声水平，同时相比传统时域有限元方法具有更高的计算效率。