横向隔板对铁路箱型梁的减振降噪效果研究*

许代言

湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心，湖南 株洲 412006

1 箱型梁噪声辐射有限元-边界元计算模型

1.1 箱型梁有限元模型及横向隔板设置

在列车的轮轨动力作用下铁路箱型梁产生结构二次振动并引发低频噪声辐射，这种低频的结构噪声穿透力强，对人体健康危害极大。以32m铁路高架箱型梁为研究对象，利用ANSYS建立三角隔板、整体隔板和翼缘隔板3种不同工况的32m铁路箱型梁有限元模型，如图1所示。其中，支座刚度K1为3.38×109N/m，铁路箱型梁体材料的弹性模量E取36.2GPa，密度ρ取2500kg/m3，泊松比μ取0.2，阻尼比ζ取0.03，扣件的垂向刚度K2取6×107N/m，扣件阻尼C取104N•s/m，设扣件的间距l为0.625m。模型中横向隔板的间距均取4m，横隔板的厚度取20cm，改进后箱型梁的其余结构参数和属性与原箱梁模型一致。

图1 3种不同工况的32m铁路箱型梁有限元模型

1.2 箱型梁边界元模型

利用声振耦合分析软件Sysnoise建立铁路箱型梁的间接边界元模型。其最大网格单元的边长不能超过计算频率最短波长的1/6，即按式（1）确定边界元网格尺寸：

式中：L为边界元网格划分单元的最大尺寸，m；c为空气中声音传播速度，c=340m/s；fmax为边界元模型的最大计算频率，Hz。

采用间接边界元法提取结构表面网格作为声学边界元网格，提取箱梁跨中横截面作为获取声辐射水平的计算网点。由式（1）可知，当该模型的最大计算频率取177Hz时，为了提高计算效率，铁路箱梁的边界元网格划分时单元尺寸L取最大值0.32m。

2 垂向轮轨力求解

采用UM软件建立CRH2型列车多体动力学分析模型，每节列车有2个转向架，共4个轮对，包含轴箱、空气弹簧、转向架、车体等组件。按几何形位合理组装得到CRH2型车整车模型，基本参数转向架中心距为17500mm，轴距为2500mm，车轮滚动圆横向跨距为1493mm，车路滚动圆直径为860mm，轮对内侧距为1353mm，车轮外形采用LMA；钢轨型号采用60kg/m。

为了预测箱型梁振动产生的噪声，将轮轨作用力简化为垂向激励加载到箱型梁的钢轨上，求解铁路箱型梁的振动响应。轮轨表面不平顺激励采用德国低干扰谱，最终得到轮轨垂向力时程曲线图，如图2所示。为了提高运算效率，取2节CRH2列车轮轨垂向力进行模拟加载，设定列车运行速度为180km/h。

图2 轮轨垂向力时程曲线图

3 噪声辐射水平分析

为了研究在列车动荷载作用下铁路箱型梁的结构振动和频率响应特性，求解3种不同横隔板改进措施下铁路箱型梁的翼缘端点处的垂向振动加速度。将一节车厢4个轮对简化为8个集中力，每隔6.4×10-4s加载一个力。利用ANSYS软件编写命令流实现模拟铁路箱型梁右边单侧行车，采用完全法求解铁路箱型梁翼缘端点处瞬态响应。铁路箱型梁跨度为32m，为了提高计算效率，加载2节列车轮轨力通过铁路箱型梁。

将箱型梁各点垂向振动加速度作为声学边界元的初始条件，输入声振耦合分析软件Sysnoise求解箱型梁附近场点的声压级。考虑人体身高因素，在铁路箱型梁跨中横截面距地面1m高沿水平方向选取5个声压级计算点，编号为D1～D5，距桥体中心线水平距离分别为0m、5m、10m、20m、25m。

不同类型横隔板的箱型梁场点最大声压级如图3所示，设置横隔板的措施对铁路箱型梁有明显的减振降噪效果，设置三角隔板和整体横隔板使铁路箱型梁跨中正下方（D1处）的最大声压级降低约4～5dB；在距铁路箱型梁跨中25m处，设置整体横隔板使受声点最大声压级降低8dB。分析可知，设置整体横隔板的综合降噪效果最佳，设置三角形隔板对箱型梁跨中正下方降噪效果较好，远场点降噪效果较整体式横隔板要弱，在翼缘设置横隔板的降噪效果较弱。

图3 不同类型横隔板的箱型梁场点最大声压级

4 结论

文章通过有限元软件ANSYS和声振耦合分析软件Sysnoise建立铁路箱型梁噪声辐射有限元-边界元计算模型，设置3种不同横隔板进行结构改进，分别求解翼缘振动加速度和跨中各受声点最大声压级。计算结果表明，通过设置横隔板的措施可以减小铁路箱型梁的低频振动和的结构噪声辐射，为穿过城区人口密集区的既有铁路箱型梁低频噪声治理提供了一种思路；3种措施中设置整体横隔板的降噪效果最佳，三角隔板次之，仅在翼缘设置横隔板的降噪效果不明显。