城軌車輛輔助逆變器聲場仿真分析及優(yōu)化

李 巖，王智鵬

（中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連116052）

隨著城市軌道車輛的飛速發(fā)展，車輛的各種性能也得到了迅速的提高，乘客對車輛的舒適性提出了更高的要求，噪聲問題也逐步被關(guān)注起來。

輔助逆變器是軌道車輛的關(guān)鍵部件之一，其安裝在車輛底部，其主要功能是把來自接觸網(wǎng)上的1 500 V 直流電轉(zhuǎn)換為380 V、50 Hz 的三相交流電，為車輛的輔助負(fù)載提供電能。由于逆變器內(nèi)部集成了諸多部件，如變壓器、電抗器、風(fēng)機(jī)、逆變模塊等，并且采用風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，這些部件在運(yùn)行過程中都會產(chǎn)生噪聲，因此在設(shè)計(jì)過程中就需要關(guān)注噪聲的控制問題。

針對車輛逆變器噪聲超標(biāo)問題，目前研究噪聲的方法主要以測試為主，數(shù)值仿真方法也主要是考慮單一方面的噪聲源，例如針對車輛逆變器噪聲超標(biāo)問題，提出輔助逆變器氣動噪聲源和傳播過程的數(shù)值仿真方法［1］。而逆變器的聲源特性復(fù)雜，薄壁結(jié)構(gòu)多，由氣體壓力脈動噪聲的壁板振動噪聲也不可忽略。所以對逆變器的噪聲成因進(jìn)行識別，并對其進(jìn)行分析及優(yōu)化，對車輛的噪聲控制具有非常重要的意義［2］。

文中采用數(shù)值計(jì)算的方法，通過流場、結(jié)構(gòu)場及聲場多場耦合的方法，對輔助逆變器由于氣體壓力脈動引起的振動噪聲進(jìn)行了計(jì)算分析，并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性。

1 技術(shù)路線

根據(jù)文獻(xiàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析，逆變器的主要噪聲源來自于內(nèi)部散熱風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流，作用到風(fēng)道及箱體壁板上。由于氣體壓力的脈動，造成箱體壁板薄弱處產(chǎn)生一定頻率的振動，進(jìn)而引起噪聲。

基于此，對逆變器噪聲的分析主要分為以下幾步：

（1）流場計(jì)算：采用大渦模擬方法對風(fēng)道流場進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算，計(jì)算出逆變器風(fēng)道內(nèi)壓力的脈動情況，并將時域壓力FFT 變換為頻域結(jié)果，輸出給結(jié)構(gòu)場進(jìn)行諧響應(yīng)振動分析；

（2）結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)計(jì)算：以流體場計(jì)算出的壓力作為結(jié)構(gòu)載荷，計(jì)算逆變器在不同頻率下的振動情況；

（3）噪聲分析：將結(jié)構(gòu)振動的速度譜傳遞給噪聲分析模塊，計(jì)算噪聲在空氣域內(nèi)的傳播情況。

仿真流程圖如圖1 所示。

2 流場計(jì)算

2.1 逆變器及風(fēng)道結(jié)構(gòu)說明

逆變器結(jié)構(gòu)及風(fēng)道截面如圖2 所示，模型中只保留了風(fēng)道內(nèi)部與流場及結(jié)構(gòu)振動分析相關(guān)的部件。

冷卻空氣在風(fēng)機(jī)的作用下，由柜體上部的2 個入風(fēng)口進(jìn)入為散熱器散熱，然后經(jīng)過風(fēng)機(jī)、變壓器、電抗器，由出風(fēng)口吹出。

圖1 仿真流程圖

圖2 逆變器結(jié)構(gòu)及風(fēng)道截面

2.2 大渦模擬計(jì)算理論

流場計(jì)算采用大渦模擬（LES）方法對風(fēng)道流場進(jìn)行瞬態(tài)仿真計(jì)算。

湍流的特征是長度尺度和時間尺度的范圍極大，最大的渦結(jié)構(gòu)通常與流動的特征長度相當(dāng)，而最小的渦則表征著湍流動能的耗散。大渦模擬的基本原理是大尺度的渦直接數(shù)值計(jì)算，小尺度的渦通過湍流模型進(jìn)行計(jì)算，因此LES 是介于DNS（直接數(shù)值模擬）和RANS（雷諾平均數(shù)值模擬）之間的一種方法，可以以合理的計(jì)算代價，更加真實(shí)的模擬流場信息，對氣動聲場的計(jì)算十分重要。

LES 需要求解過濾之后的N-S 方程，見式（1）：

式中：Cs為Smagorinsky 常數(shù)，取值范圍0.1～0.2。

2.3 流場仿真計(jì)算方法

流場及氣動噪聲的計(jì)算采用直接模擬方法（CAA）及聲波的產(chǎn)生和傳播通過直接求解流體動力學(xué)方程得到，通過求解非穩(wěn)態(tài)N-S 方程，精確的模擬黏性效應(yīng)和湍流效應(yīng)。該方法能夠考慮聲音的反射，幫助理解復(fù)雜流動中噪聲產(chǎn)生的機(jī)理和抑制。

采用ANSYS Fluent 軟件進(jìn)行氣動聲源的分析，入風(fēng)口設(shè)置為速度入口，出口采用壓力邊界，壁面設(shè)置為無滑移表面，風(fēng)機(jī)區(qū)域通過滑移網(wǎng)格方法實(shí)現(xiàn)動、靜域之間的數(shù)據(jù)傳遞。在計(jì)算時，首先采用雷諾平均湍流模型得到速度、壓力的穩(wěn)態(tài)流場，以此作為瞬態(tài)計(jì)算的初始條件，并使用LES的Smagorinsky-Lilly 亞格子模型，時間步長設(shè)置為1×10-4s，每個時間步迭代20 次，得到時域上的壓力脈動。

2.4 計(jì)算域的選取和網(wǎng)格劃分

逆變器的噪聲測試方法一般按IEC 61287-1：2004 中4.5.3.12 中相關(guān)要求執(zhí)行，為便于與標(biāo)準(zhǔn)以及后期試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，按測試標(biāo)準(zhǔn)中的測量點(diǎn)位置，即箱體外側(cè)四周1 m 處作為檢測點(diǎn)。采用CAA 方法需要保證接收器的位置在計(jì)算域內(nèi)，因此計(jì)算域包含兩部分：逆變器內(nèi)部風(fēng)道和外部空氣域如圖3 所示。由于CAD 模型包含了很多細(xì)節(jié)特征，如支架、螺栓、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，會對氣流產(chǎn)生一些擾動，但是影響不大，因此本次計(jì)算中予以簡化，僅保留主風(fēng)道、風(fēng)機(jī)、擋板、變壓器、電抗器等結(jié)構(gòu)。

圖3 氣動仿真模型及計(jì)算域

由于流道的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，外部空氣域劃分六面體網(wǎng)格，內(nèi)部流道劃分四面體網(wǎng)格如圖4 所示，為了滿足LES 模擬的需要，在風(fēng)機(jī)葉片的壁面劃分了邊界層，得到的網(wǎng)格數(shù)約為2.0×107。

圖4 風(fēng)道網(wǎng)格

2.5 流場及氣動噪聲結(jié)果分析

通過風(fēng)機(jī)中心垂直截面的壓力分布云圖，如圖5 所示，可以看出，由于風(fēng)機(jī)做功，空氣在流過風(fēng)機(jī)后得到了一定的靜壓，但是也存在一些低壓區(qū)，這是由于此處有較強(qiáng)的旋渦存在，并且沿軸向分布并不均勻，是產(chǎn)生噪聲的原因之一。

圖5 風(fēng)道截面壓力云圖

為了進(jìn)一步研究風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的原因提取了葉片附近的漩渦結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。通過傅里葉計(jì)算得到監(jiān)測位置的平均氣動聲壓級為49.23 dB，風(fēng)機(jī)為主要的氣動噪聲源，但其位于逆變器箱體內(nèi)部，固體壁面又對壓力波具有反射作用，因此由于單純的氣流引起的監(jiān)測點(diǎn)處的壓力脈動并不大，產(chǎn)生的噪聲值較小。

圖6 葉片周圍漩渦分布

3 結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)計(jì)算

通過瞬態(tài)仿真計(jì)算，得到了壁面壓力脈動，然后通過FFT 將聲源位置的時域壓力脈動轉(zhuǎn)換成頻域分布，映射到諧響應(yīng)分析模塊中計(jì)算振動結(jié)果。

噪聲產(chǎn)生源頭是振動，通過諧響應(yīng)分析可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)在各頻段載荷下振動的情況，為后續(xù)計(jì)算噪聲得到數(shù)據(jù)支撐。

任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)）。諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦（簡諧）規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)。分析的目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值（通常是位移或速度）對頻率的曲線。諧響應(yīng)分析使設(shè)計(jì)人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計(jì)人員能夠驗(yàn)證其設(shè)計(jì)能否成功地克服共振、疲勞，及其他受迫振動引起的有害效果。

在ANSYS Mechanical Harmonic 分析模塊中進(jìn)行仿真計(jì)算，邊界條件的設(shè)置如圖7 所示。經(jīng)過仿真分析后得到不同頻率下柜體結(jié)構(gòu)的振動結(jié)果，800 Hz 及996 Hz 的振動結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖7 結(jié)構(gòu)振動邊界條件設(shè)置

圖8 800 Hz 振動速度分布

圖9 996 Hz 振動速度分布

4 噪聲分析

4.1 控制方程

在聲場的流固耦合問題中，要把結(jié)構(gòu)的動力方程與流體斯托克斯方程中的動量方程和連續(xù)性方程綜合考慮。聲學(xué)基本方程是流體方程在把空氣作為特殊流體條件下的簡化。通過理想流體介質(zhì)的以下假設(shè)：

（1）流體是可壓縮的，密度隨壓力變化而變化；

（2）流體是非黏性流體，密友黏性引起的能量損耗；

（3）流體中沒有不規(guī)則流動；

（4）流體是均質(zhì)的，各點(diǎn)平均密度和聲壓相同。

流體的動量方程（斯托克斯方程）和連續(xù)性方程可以簡化為聲場波動方程為式（6）：

由于黏性損耗被忽略，式（6）被視作為在流體媒介中聲波傳播的無損耗波動方程。在聲固耦合問題中，離散化的結(jié)構(gòu)方程和無損耗的波動方程要同時考慮。

對于諧態(tài)變化的聲壓，為式（7）：

式中：P為聲壓幅值，j為虛數(shù)因子，ω為角頻率，代入一式中得到霍姆霍茲方程為式（8）：

式（8）為無損耗聲波方程的離散化。

矩陣符號式（9）和式（10）（梯度和離散度）將被用于式（6）中：

通過用迦遼金法對方程（12）離散化即得到單元矩陣，在方程（12）左右同時乘以一個聲壓變化值，然后在一定區(qū)域內(nèi)對體積積分，得式（13）：

式中：vol為一定區(qū)域的體積；δP為一定的聲壓變化值；S為聲壓向量所指向的表面；｛n｝界面S的單位法向量。

在聲固耦合界面問題中，面S被視為界面，由于簡化假設(shè)，流體的動量方程中法向聲壓梯度與結(jié)構(gòu)的法向加速度在界面處遵循式（14）的規(guī)律，

式中：｛U｝為結(jié)構(gòu)在界面處的位移向量，用矩陣形式表示，即為：

4.2 聲場流體問題中矩陣的推導(dǎo)

方程式（16）中包含的變量有：聲壓P，結(jié)構(gòu)位移u，v，w。定義有限單元的近似形函數(shù)為式（17）、式（18）：

式中：｛N｝為聲壓函數(shù)，{N′}為位移形函數(shù)，｛Pe｝為節(jié)點(diǎn)聲壓向量，｛Ue｝=｛ue｝，｛ve｝，｛we｝為節(jié)點(diǎn)位移向量。

聲壓和位移的時間二階導(dǎo)數(shù)及聲壓變化值可表示為式（19）～式（21）：

定義矩陣［B］為式（22）：

將式（17）和式（22）代入方程（16），聲波方程的有限元表達(dá)式則為式（23）：

式中：｛n｝為流體邊界向量，為式（24）：

把式（24）改寫為矩陣表達(dá)形式即得到離散化的聲波式（25）：

4.3 聲場聲固耦合問題

為實(shí)現(xiàn)完整的表達(dá)流固耦合的問題，將在界面處流體聲壓載荷加入結(jié)構(gòu)有限元方程中，得到式（26）：

式中：{N′}為離散化位移u，v，w 的結(jié)構(gòu)形函數(shù)矩陣；｛n｝為流體邊界向量。

將聲壓的形函數(shù)矩陣式（17）代入式（27）中，得到式（28）：

完整的流固耦合問題的有限單元法離散方程式（31）：

式中：[Mfs]=ρ0[Re]T，[Kfs]=-[Re]。

對于流固耦合問題，聲場流體單元除了產(chǎn)生耦合子矩陣ρ0[Re]T和[Re]之外，還產(chǎn)生以fs為上標(biāo)的子矩陣。而沒有上標(biāo)的子矩陣都是由模型中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元來產(chǎn)生的。

4.4 仿真計(jì)算

在ANSYS Mechanical 仿真平臺中，將諧響應(yīng)分析模塊（Harmonic）的計(jì)算結(jié)果（速度譜），傳遞給噪聲分析模塊（Acoustic）中，計(jì)算噪聲在空氣域內(nèi)的傳播情況，振動速度映射到聲場結(jié)果如圖10 所示。

如文中所述，選取逆變器中面四周1 m 的位置作為檢測點(diǎn)，通過仿真計(jì)算得到各檢測點(diǎn)不同位置的噪音分布，如圖11～圖15 所示。

各監(jiān)測點(diǎn)噪聲平均值：位置1 為84.5 dBA；位 置2 為81.2 dBA；位 置3 為86 dBA；位 置4 為84 dBA。

圖10 振動速度映射到聲場

圖11 逆變器中面A 計(jì)權(quán)聲壓級分布

圖12 中面一米距離噪聲分布（位置1）

圖13 中面一米距離噪聲分布（位置2）

圖14 中面一米距離噪聲分布（位置3）

5 優(yōu) 化

通過比較仿真結(jié)果可以知道，風(fēng)機(jī)引起空氣振動噪聲在檢測點(diǎn)的值約為49.23 dB，遠(yuǎn)小于柜體由于氣流脈動作用而產(chǎn)生的振動噪聲，可以推斷后者為逆變器的主要噪聲來源［3］。所以盡可能減少柜體由于氣流引起的噪聲對于降低逆變器整體的噪聲水平具有非常重要的意義。

可以通過對現(xiàn)有逆變器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以減少噪音水平，優(yōu)化方案見表1。

方案1 原理是通過在柜體壁板上增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)從而增加柜體壁板的剛度，以減小柜體在氣流作用下的振動水平，如圖16、圖17 所示。

方案2 原理是通過優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)降低風(fēng)道流阻，使風(fēng)道中的氣壓脈動減小，從而減少柜體的振動水平如圖18 所示。

方案3 原理是通過在柜體與氣體接觸面上增加吸音棉材料，氣流脈動被吸音棉吸收以后，強(qiáng)度降低［4］，從而實(shí)現(xiàn)減少柜體壁板振動，最終減少噪聲水平，如圖18 所示。

圖16 在振動強(qiáng)烈處增加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)

圖17 上蓋板內(nèi)側(cè)有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)

圖18 出風(fēng)口位置增加導(dǎo)流裝置，內(nèi)部添加吸音棉

最終各個優(yōu)化方案的仿真結(jié)果對比如表2所示。

通過對仿真結(jié)果的對比及分析可以得到如下結(jié)論：

（1）原始結(jié)構(gòu)的噪聲較大，主要為氣動壓力引起的結(jié)構(gòu)振動噪聲。

（2）優(yōu)化方案1 在結(jié)構(gòu)較為薄弱的位置添加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，保證壁板的強(qiáng)度。從仿真結(jié)果看，可以較為明顯的改善結(jié)構(gòu)振動和噪聲情況。

（3）優(yōu)化方案2 增加了導(dǎo)流裝置，將出風(fēng)口面積增大，并調(diào)整了出風(fēng)口的位置，從計(jì)算結(jié)果看，噪聲有所降低但效果不明顯，原因可能是由于柜體風(fēng)道結(jié)構(gòu)基本定型，風(fēng)道優(yōu)化空間有限，對于流阻的改善不明顯；

（4）優(yōu)化方案3 在后壁板和上蓋板上添加吸音棉結(jié)構(gòu)，這2 個位置相較于之前結(jié)構(gòu)，振動上有較大的改善，效果較為明顯。

以上的仿真結(jié)果均為理想條件下的仿真結(jié)果，例如是吸音棉的使用，其仿真等效模型為一種彈性體介質(zhì)，跟實(shí)際物理參數(shù)可能還是有一些差異的，但通過仿真結(jié)果基本可以驗(yàn)證幾種優(yōu)化降噪方法對于降低氣流脈動引起的結(jié)構(gòu)振動效果是明顯的。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真方法的合理性，對樣機(jī)進(jìn)行了噪聲的試驗(yàn)研究，該樣機(jī)方案為采用3 種優(yōu)化措施后的逆變器。測試方法按IEC 61287-1：2004 中4.5.3.12 中相關(guān)要求執(zhí)行，分別在柜體的4 個側(cè)面選取了4 個評測點(diǎn)，距離柜體距離為1 m，試驗(yàn)狀態(tài)和評測點(diǎn)位置如圖19、圖20 所示，最終測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比見表3。

可見，在監(jiān)測位置處仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，文中提出的仿真路線可以對逆變器的噪聲進(jìn)行預(yù)測。

表2 各種結(jié)構(gòu)振動噪聲計(jì)算結(jié)果對比

圖19 試驗(yàn)狀態(tài)

圖20 評測點(diǎn)位置

表3 測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比

7 結(jié)束語

文中提出了一種對軌道車輛輔助逆變器噪聲的分析方法，通過流場、結(jié)構(gòu)場及聲場多場耦合的仿真分析方法，分析出輔助逆變器的噪聲來源主要是由于氣體壓力脈動引起的柜體振動產(chǎn)生的噪聲，并針對噪聲的成因?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化并進(jìn)行了仿真分析，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真方法的合理性。為今后軌道車輛降噪設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒。后續(xù)還需要繼續(xù)對各降噪措施的仿真與試驗(yàn)進(jìn)行對比分析以及各種仿真模型，如吸音棉等的物理參數(shù)的校正，以提高仿真方法的準(zhǔn)確性。