自動旅客運(yùn)輸系統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)噪聲仿真研究*

朱冬進(jìn) 徐海大 周勁松

(1.中車浦鎮(zhèn)阿爾斯通運(yùn)輸系統(tǒng)有限公司, 241007，蕪湖；2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海∥第一作者，高級工程師)

自動旅客運(yùn)輸(APM)系統(tǒng)是一種獨具特色的城市軌道交通形式[1]。隨著國民生活水平的不斷提升，交通運(yùn)輸工具本身的振動和噪聲已經(jīng)成為衡量裝備性能的重要指標(biāo)[2-4]。

本文針對APM車輛建立了車內(nèi)噪聲有限元仿真預(yù)測模型，分別對其結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲學(xué)模態(tài)進(jìn)行分析得到其振型特性。通過現(xiàn)場測試，得到電機(jī)對車體結(jié)構(gòu)的振動激勵，并且建立了UM(多體系統(tǒng))動力學(xué)仿真模型，用以得到空氣彈簧施加于車體結(jié)構(gòu)上的振動激勵?；诮⒌挠邢拊Ｐ秃徒Y(jié)構(gòu)振動激勵計算得到車內(nèi)的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，并分析其頻域特性，為改善APM車內(nèi)噪聲環(huán)境提供參考。

1 APM車體有限元模型

1.1 車體結(jié)構(gòu)有限元模型

APM車輛由車頂、側(cè)墻、端墻、地板等部分組成。將既有車體三維模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中，對局部復(fù)雜部分進(jìn)行必要的簡化處理并對其進(jìn)行抽中面和網(wǎng)格劃分處理，進(jìn)而得到簡化后的車體有限元模型，見圖1。其網(wǎng)格大小為50 mm×50 mm。

圖1 簡化車體有限元模型

1.2 車體聲腔有限元模型

在簡化車體有限元模型的基礎(chǔ)上，補(bǔ)全車窗等必要單元網(wǎng)格，使其形成密閉空間，進(jìn)而建立車內(nèi)聲腔有限元模型，見圖2。模型單元尺寸為 50 mm×50 mm。

圖2 聲腔有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

通過結(jié)構(gòu)模態(tài)分析可確定設(shè)計機(jī)構(gòu)或者零部件的振動特性，并且得到由結(jié)構(gòu)本身特性和材料決定的固有頻率和固有振型。本文采用HyperWork軟件的OptiStruct求解器，對整個車體進(jìn)行模態(tài)求解，得到車體前30階的固有頻率和固有振型。圖3為幾個具有代表性的模態(tài)振型。

a)第9階模態(tài)振型

從圖3中可以看出：第9階模態(tài)振型為菱形振型，車體變形主要集中在車頂兩側(cè)；第10階模態(tài)振型為扭轉(zhuǎn)振型，車體變形主要集中在車頂?shù)?個邊角處；第15階模態(tài)振型為呼吸振型，車體變形主要集中在車頂中心和側(cè)墻中部。

2.2 聲學(xué)模態(tài)分析

當(dāng)車門及車窗封閉時，車廂內(nèi)為封閉空腔。在一定的聲學(xué)模態(tài)頻率下，車廂內(nèi)不同位置會產(chǎn)生不同的聲壓分布，從而形成聲學(xué)模態(tài)振型。當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動頻率與聲腔產(chǎn)生的模態(tài)頻率相近時，聲腔容易產(chǎn)生共鳴導(dǎo)致噪聲放大。對圖2中的聲腔有限元模型進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)分析，設(shè)置空腔內(nèi)介質(zhì)密度和聲速等參數(shù)，其中空氣密度取1.225 kg/m3，聲速為340 m/s，計算得到車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)前20階頻率，見表1。從表1中可以看出：第1階聲學(xué)模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于1 Hz，為整車客室內(nèi)空腔的聲學(xué)共振。第1階聲學(xué)模態(tài)頻率遠(yuǎn)小于人類聽力的范圍，故對整車的舒適性影響較小。

表1 聲學(xué)模態(tài)頻率表

圖4為部分具有代表性的模態(tài)振型。從圖4中可以看出：第2階聲學(xué)模態(tài)為縱向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小出現(xiàn)在車體中部，從車體中部沿縱向向兩端增大；第6階聲學(xué)模態(tài)為橫向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小值出現(xiàn)在車體橫向一截面處，并向兩側(cè)遞增；第10階聲學(xué)模態(tài)為垂向聲學(xué)模態(tài)，聲壓最小值出現(xiàn)在車體垂向一截面處，并沿垂向遞增；第12階聲學(xué)模態(tài)為綜合疊加模態(tài)，聲壓最大值出現(xiàn)在車底，為95.5 dB，并向車頂處遞減。

a)第2階模態(tài)振型

3 獲取載荷

3.1 獲取電機(jī)激勵

電機(jī)懸掛于車體下方，電機(jī)振動將直接作用于車體結(jié)構(gòu)。因此，可對APM車輛車下電機(jī)處振動進(jìn)行測試，并將測試得到的結(jié)果與電機(jī)質(zhì)量相乘，即得到電機(jī)處的激勵。

3.2 空氣彈簧激勵獲取

來自路面的激勵通過車輪及空氣彈簧的衰減形成二系懸掛力作用于車輛底部，從而造成結(jié)構(gòu)噪聲。本文通過UM動力學(xué)軟件來獲取空氣彈簧處的二系懸掛力。如圖5所示，車體模型包括1個車體、2個軸橋、4個走行輪和8個導(dǎo)向輪。將車體和道路部分相互連接、耦合后，即可提取其中的垂向二系懸掛力。

圖5 UM動力學(xué)模型

4 車內(nèi)聲學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)GB/T 3499—2011《聲學(xué)軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》和GB/T 14892—2006《城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法》，在模型中分別選取車體一位端、一位端車門、車體中部、二位端車門、車體二位端共5個觀測點，如圖6所示。5個觀測點位于地板上方1.6 m處。

圖6 客室內(nèi)聲壓級觀測點位置示意圖

各觀測點的頻率響應(yīng)A計權(quán)聲壓級頻譜如圖7所示。

由圖7可以看出：隨著振動頻率的提升，車內(nèi)各觀測點的聲壓級逐漸升高；各觀測點在振動頻率范圍內(nèi)存在多個明顯的噪聲峰值，其中所有觀測點都在315 Hz產(chǎn)生了較大的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，并且達(dá)到了最大的聲壓級，且最大聲壓級分別為71.43 dB(A)、72.41 dB(A)、75.19 dB(A)、71.38 dB(A)和71.72 dB(A)；此外，車體一位端、二位端車門和車體二位端均在630 Hz處產(chǎn)生了噪聲峰值，而且噪聲峰值分別為67.85 dB(A)、63.78 dB(A)、65.34 dB(A)；一位端車門和車體中部在500 Hz處產(chǎn)生了噪聲峰值，且噪聲峰值分別為68.12 dB(A)、62.58 dB(A)；車內(nèi)5個觀測點的A計權(quán)總聲壓級分別為73.45 dB(A)、72.91 dB(A)、76.12 dB(A)、72.38 dB(A)和73.23 dB(A)，由此可見：在315 Hz處出現(xiàn)的不同程度的結(jié)構(gòu)聲響應(yīng)，是導(dǎo)致車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲的主要原因；車體中部噪聲較大，其余4個觀測點的噪聲值差別不大。

a)車體一位端

5 結(jié)語

本文基于某APM車輛結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場測試和建立UM動力學(xué)模型相結(jié)合的方式，分別得到了電機(jī)和空氣彈簧對車體的振動激勵，結(jié)合建立的有限元模型進(jìn)一步得到電機(jī)激勵和空氣彈簧激勵下的車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)。分析其噪聲特性，得出以下結(jié)論：

1)在電機(jī)和空氣彈簧的結(jié)構(gòu)振動激勵下，車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)存在多個峰值，特別是在315 Hz處，各個觀測點的A計權(quán)聲壓級較大。

2)車體中部的結(jié)構(gòu)聲最大，與其他4個觀測點相比，其A計權(quán)總聲壓級高3 dB(A)左右。