高速铁路轮轨、气动噪声及声屏障隔声性能仿真研究 - 图文

分类号：Ｕ２１３．２＋４４密级：Ｉｌｌ２０１２届中国铁道科学研究院博士学位论文题目：高速铁路轮轨、气动噪声及声屏障隔声性能仿真研究英文题目：ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＷｈｅｅｌ／ＲａｉｌＮｏｉｓｅ．ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＮｏｉｓｅａｎｄＳｏｕｎｄＩｎｓｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｏｕｎｄＢａｒｒｉｅｒｏｆＨｉｇｈＳｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙ研究生姓名：刘磊专业：道路与铁道工程研究方向：振动与噪声导师姓名：王澜研究员学位授予单位：中国铁道科学研究院论文提交日期：２０１２年６月铁道科学研究院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或戒果。对本文的研宄微出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：刘磊日期：２０１２年６月二口日关于学位论文使用授权说明作者了解中国铁道科学研究院研究生部有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文：学校可根据有关规定，送交学位论文。作者同意中国铁道科学研究院研究生部将本人的学位论文提交清华大学中国学术期刊（光盘版）电子杂志社全文出版和编入ＣＮＫＩ《中国知识资源总库》，．传播学位论文的全部或部分内容。，Ｖ＝公开学位论文作者签名：签字日期：２０１２．６．２０签字日期：．矽ｆＴ－．占＾加中国铁道科学研究院博士学位论文中文摘要中文摘要摘要：本文以高速铁路噪声为研究对象，综合应用有限元和边界元方法对轮轨的振动及声辐射特性进行研究，以轮轨相互作用理论和声辐射理论为基础建立轮轨滚动噪声预测模型，对轮轨噪声的影响因素进行分析，采用流体力学软件Ｆｌｕｅｎｔ对高速列车气动噪声进行数值仿真，采用声学软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ对声屏障的隔声性能进行研究。采用有限元软件ＡＮＳＹＳ分析车轮和钢轨的振动模态，在此基础上对轮轨进行谐响应分析，将两者表面振动速度导入边界元软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ，得到轮轨的辐射声场。对轮轨表面粗糙度谱的理论估计和现场实测方法进行了探讨，在对钢轨垂向和横向阻抗、车轮径向和轴向阻抗分析的基础上，采用Ｈｅｒｔｚ接触理论考虑轮轨之间的耦合作用，推导轮轨的垂向和横向振动公式，结合振动噪声辐射理论，建立高速铁路轮轨滚动噪声预测模型，对不同工况下的高速铁路轮轨滚动噪声进行仿真计算，并与京沪高速铁路试验结果进行对比分析。利用建立的轮轨滚动噪声预测模型，对高速铁路轮轨滚动噪声的影响因素进行分析，包括高速列车运行速度、列车轴数、受声点距轨道中心线距离、车轮参数（车轮直径、辐板厚度）、钢轨参数等。针对高速铁路气动噪声的问题，运用空气动力学和声学的相关理论方法，结合高速列车运行的实际边界条件，建立高速列车远场气动噪声的理论预测公式，通过理论分析和数值计算，分析高速列车气动噪声的产生机理。利用Ｆｌｕｅｎｔ流体分析软件计算高速列车外部流场，获得较为精确的车身表面脉动压力，采用宽频带噪声模型计算高速列车表面噪声源，最后利用基于Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ方程的声模拟法求解高速列车远场气动噪声，并与京沪高速铁路试验结果进行对比分析。在声屏障隔声性能评价理论的基础上，采用声学软件ＳＹＳＮＯＩＳＥ建立了声屏障的二维分析模型，在ＳＹＳＮＯＩＳＥ中定义柱面波声源来代替线声源，得到有声屏障的条件下的声场分布，进一步分析声源频谱特性及声屏障的结构形式等对其隔声性能的影响。关键词：高速铁路；轮轨噪声：气动噪声：声屏障中陶铁道科学研究院博士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡＢＳＴＲＡＣＴＢａｓｅｄｔｈｅｈｉｇｈ?ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｎｏｉｓｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｎａｓｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆｒｏｌｌｉｎｇｎｏｉｓｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅＦｌｕｅｎｔｗａｓｕｓｅｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｂａｒｒｉｅｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ．ＷｉｔｈａｃｏｕｓｔｉｃｓｏｆｔｗａｒｅＳＹＳＮＯＩＳＥ，ｓｏｕｎｄｓｏｕｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＴｈｅｍｏｄｅｏｆｗｈｅｅｌａｎｄｒａｉｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｈｅｅｌａｎｄｒａｉｌ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｗａｓｉｍｐｕｔｅｄｉｎｔｏＢＥＭｓｏｆｔｗａｒｅＳＹＳＮＯＩＳＥ．Ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｗｈｅｅｌａｎｄｏｎｒａｉｌｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｗｈｅｅｌａｎｄｒａｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｗｅｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｓｏｕｎｄｒａｄｉａｔｉｏｎＷｈｅｅｌ／ｒａｉｌｒｏｕｇｈｎｅｓｓｓｐｅｃｔｒｕｍｔｈｅｏｒｙｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｎｄＢａｓｅｄｏｎｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ｗｉｔｈｔｈｅＨｅｒｔｚｎｏｎｌｉｎｅａｒｃｏｎｔａｃｔｔｈｅｏｒｙ，ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｃｏｕｐｌｉｎｇｏｆｖｅｒｔｉｃａｌａｎｄｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｗａｓｄｅｒｉｖａｔｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｎｏｉｓｅｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｒｏｌｌｉｎｇｎｏｉｓｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｄ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｗｈｅｅｌｒａｉｌｒｏｌｌｉｎｇｎｏｉｓｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｔｒａｃｔｅｄｗｉｔｈｔｅｓｔ．Ｂｅｉｊｉｎｇ－Ｓｈａｎｇｈａｉｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｎｏｉｓｅｓｏｕｒｃｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｒｏｌｌｉｎｇｎｏｉｓｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｎｕｍｂｅｒｏｆｔｒａｉｎａｘｌｅ，ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｗｈｅｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌ，ｒａｄｉａｌｐｌａｔｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ），ｒａｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｆｏｒｈｉｇｈ．ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎａｃｔｕａｌｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｆａｒ－ｆｉｅｌｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅｏｆｈｉｇｈ?ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａｗａｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｂｕｉｌｄ．ＴｈｒｏｕｇｈｎｏｉｓｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｗａｒｅＦｌｕｅｎｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｆｌｕｉｄｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｈｉ曲一ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ．Ｔｈｅｗａｓｐｒｅｃｉｓｅｂｏｄｙｓｕｒｆａｃｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｓｏｕｒｃｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｉｔｈｔｈｅｂｒｏａｄｂａｎｄｎｏｉｓｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｓｕｒｆａｃｅｎｏｉｓｅｏｎｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｕｓｅｄｔｏＬｉｇｈｔｈｉｌｌｅｑｕａｔｉｏｎｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｆａｒ—ｆｉｅｌｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒｓｏｕｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｕｓｉｎｇａｃｏｕｓｔｉｃｔｗｏ。ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｏｆｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈｓｏｆｔｗａｒｅＳＹＳＮＯＩＳＥ．Ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｗａｖｅｓｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅｌｉｎｅｓｏｕｒｃｅ．Ｔｈｅｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｓｏｕｎｄｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｏｕｎｄｓｏｕｒｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏｒｍ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙ；Ｗｈｅｅｌ／ｒａｉｌｎｏｉｓｅ；Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｎｏｉｓｅ；Ｓｏｕｎｄｂａｒｒｉｅｒ

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