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基于LMS振动噪声仿真的高速动车组约束阻尼设计

2017/1/20    来源:互联网    作者:彭若龙  查国涛      
关键字:动车组  约束阻尼  LMS Virtual Lab Acoustic  
本文基于某车体的有限元模型,采用有限元方法,计算了250Hz以内的车体振动模态和谐响应分析。

一、概述

    高速列车室内噪声环境是决定乘客舒适度的重要因素之一。高速列车车内噪声源很多,主要的是轮轨噪声和气动噪声。高速列车运行时客室内噪声特性的测试结果表明:客室内低频噪声突出。为改善旅客列车的舒适性能,将铁路噪声控制在乘客可以接受的范围之内已越来越受到重视。

    提高构件本身的振动衰减性能的一个重要方法是在构件上贴附粘弹性阻尼层。当阻尼材料与振动构件合成一个整体后,结构受外界激励而产生振动时,由于阻尼的作用,系统的一部分振动能量转变为热能,从而抑制系统的振动。当激励力补充的能量与损耗能量相等时,系统达到稳态振动。因此增加阻尼可以有效减小稳态振动的幅度,同时当结构表面振动幅度减小后,其辐射的噪声一般也随之减小,从而实现减振降噪。阻尼结构一般分为自由阻尼处理和约束阻尼处理。约束阻尼处理由于其衰减振动的能力强,而广泛应用于工程实际中。

    约束阻尼层的剪切效应对结构的阻尼性能产生较大的影响。研究表明,约束阻尼的不同位置的铺设对减振效果有着不同的影响,需要进行优化设计。对于车体而言,在有效满足车体的减振降噪要求的前提下,如何控制阻尼材料的铺设面积,从而最大程度上满足车体日益轻量化的要求,是目前研究的重点。随着计算机能力逐步强化以及各种优化算法的发展,约束阻尼结构的优化设计问题日益引起广大学者和工程设计人员的关注。

    当结构受外界激励时,它将激起激励源频谱内结构的各阶模态振动。由于阻尼材料的效果一般以横向剪切振动为主的固有振动产生的阻尼效果最佳。为了使结构的减振效果最佳,就要求结构损耗因子达到最大。研究表明:车体模态损耗因子随贴附位置变化有较大的波动,并且与相应的模态振型有相似之处。在振型函数峰值处,模态损耗因子达到最大值,在振型函数节点处,模态损耗因子达到最小值。这样,对于车辆结构而言就必须首先分析其系统的固有模态,而后根据激励源的特性和车体的模态,计算出车体主要振动特性。然而结构板件在铺设阻尼材料后,其模态频率会发生轻微变化,因此,具体铺设部位应该要考虑铺设阻尼材料对整体结构的影响。之后再对约束层和阻尼层材料的弹性模量、泊松比和密度以及铺设面积等做适当优化,以期最大程度增大车体模态损耗因子,从而实现降低车体的振动幅度的目标,并实现降噪的效果。

    本文基于某车体的有限元模型,采用有限元方法,计算了250Hz 以内的车体振动模态和谐响应分析。基于振动结果,采用LMS声学仿真软件中的面板贡献量,利用边界元方法,计算了车体内部的声场。基于上述白车身的力加载位置和振动声学结果,讨论了约束阻尼材料的铺设方案。

二、车体模型和振动声学仿真结果

    我们以一个车体结构为例进行分析,该车体长约25m,宽约3.36m,高约2.8m,材质为铝,密度2700kg/m^3,杨氏模量75GPa,泊松比0.33,阻尼因子0.002;车窗为钢化玻璃。该车体计算采用四边形壳单元,模型如图1所示。

图1 车体的有限元模型

图1 车体的有限元模型

    由于客室的噪声是由车体结构振动引发的,车体既是噪声信号的发生器,也是振动激励信号的滤波系统,分析车体结构模态可以更好地掌握振动传递和噪声产生的机理,进而为客室噪声预测以及噪声声源诊断、壁板声学贡献分析等提供依据。结构的模态主要取决于结构的质量分布、结构的刚度及其所受约束情况。该车厢的模态分析选择车体下部与转向架连接部分切向位移约束,采用的模态提取方法为Block Lanczos法。该车最低阶模态为10.8Hz,车体结构的低阶频率模态振型显示出整体性,但在较高频率段,各阶频率振型之间的耦合较大,主要以局部振型为主。图2为ABAQUS软件计算的车体的各阶位移模态振型。

图2 车体的各阶位移模态振型

图2 车体的各阶位移模态振型

责任编辑:马倩
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