基于動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)仿真的損傷伸縮縫跳車噪聲特征

孟利波,劉懷林,馬東鵬,席尚賓,吳澤康,劉逸平*

(1.重慶物康科技有限公司,重慶 400000; 2.浙江清華柔性電子技術(shù)研究院,嘉興 314000;3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 516000)

伸縮縫是連接兩段公路橋面的裝置,在大型車輛通過、溫度變化作用下公路橋面會(huì)發(fā)生變形,而伸縮縫可以調(diào)節(jié)公路橋面的自由變形,因此伸縮縫在公路橋梁中十分重要。然而,嚴(yán)苛的服役環(huán)境和重車作用會(huì)使伸縮縫發(fā)生損傷,具體體現(xiàn)為接縫處的混凝土破損、鋼筋外露、伸縮縫頂起等[1-2]。伸縮縫的病害十分普遍。例如,金麗溫高速公路在其通車起的8 a時(shí)間內(nèi),共有24條伸縮縫發(fā)生了不同類型的病害[2];麗澤橋的各橋段病害都與伸縮縫病害密切相關(guān)[3]。迄今,國內(nèi)已發(fā)生多起因伸縮縫病害導(dǎo)致的嚴(yán)重事故。2020年11月11日,在廣澳高速廣州往珠海方向,一輛白色小貨車碰撞路面橋梁伸縮縫后失控,造成嚴(yán)重的交通事故。因此,對(duì)伸縮縫的健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),盡早發(fā)現(xiàn)損傷伸縮縫并排除隱患,對(duì)保障公路橋梁正常運(yùn)營至關(guān)重要。

中外橋梁伸縮縫的損傷監(jiān)測(cè)主要通過定期人工排查的方法來開展,費(fèi)時(shí)費(fèi)力同時(shí)影響通行。其他監(jiān)測(cè)手段(如安裝位移傳感器)雖然可以方便地獲取與橋梁伸縮縫服役狀況相關(guān)的數(shù)據(jù),但工程上這些采集到的數(shù)據(jù)不能直接反映伸縮縫的損傷情況,同時(shí)諸如撓度、應(yīng)變等物理量受溫度影響較大,往往需要進(jìn)行被測(cè)量與溫度的相關(guān)性校正[4-6]。因此,這類伸縮縫損傷探測(cè)技術(shù)與伸縮縫健康監(jiān)測(cè)的工程需求仍存在巨大差距。

聲波分析是結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)的重要方法,其原理是利用聲波在有損和無損的材料中傳播規(guī)律的差異來判定結(jié)構(gòu)物內(nèi)部是否有損傷。其中,聲波CT通過人工激勵(lì)發(fā)射超聲信號(hào),在結(jié)構(gòu)物的另一側(cè)接收信號(hào)并根據(jù)聲速構(gòu)造體圖像[7]。但是該技術(shù)難以滿足高探測(cè)精度和長(zhǎng)探測(cè)距離的要求,克服該缺點(diǎn)的方法是使用超磁致伸縮材料作為發(fā)射源,然而該材料價(jià)格極其昂貴,不能滿足工程上的大規(guī)模使用。實(shí)際上,由于接縫處的不平整,車輛行駛過模數(shù)式伸縮縫時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同程度的跳車現(xiàn)象,跳車荷載產(chǎn)生的噪聲本身就是一種良好的激勵(lì)。充分利用跳車噪聲來獲取有效信息是橋梁相關(guān)科學(xué)研究和工程應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。Algohi等[8]在路段兩端的伸縮縫處各放置一個(gè)麥克風(fēng)和采集裝置以記錄車輛通過伸縮縫時(shí)的跳車噪聲信號(hào),通過數(shù)據(jù)處理獲取特征峰點(diǎn)來計(jì)算車輛通過該路段的車速。目前已有學(xué)者指出,通過聲波分析,跳車噪聲信號(hào)可以反映出伸縮縫的健康狀態(tài);Nishikawa等[9]在汽車上加裝噪聲采集設(shè)備,記錄該車通過伸縮縫時(shí)的噪聲信號(hào),發(fā)現(xiàn)通過有損的伸縮縫時(shí)聲波在200～500 Hz或500～800 Hz有特征頻帶;Guerreiro等[10]通過對(duì)跳車聲波信號(hào)的傅里葉變換,得到了以金屬混響為特征的伸縮縫螺栓松動(dòng)損傷形式的識(shí)別方法,提出了應(yīng)用程序原型。然而,由于缺乏理論或仿真結(jié)果的支撐,將這些研究的成果推廣到實(shí)際工程使用前仍需經(jīng)過大量的試驗(yàn)檢驗(yàn)其適用性。

利用動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)仿真,可以模擬物體碰撞過程產(chǎn)生的噪聲,從而開展噪聲特征的研究、方案制定和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。這種仿真方法已被運(yùn)用于交通相關(guān)領(lǐng)域,例如,李中哲等[11]基于多體動(dòng)力學(xué)的變速器噪聲預(yù)測(cè)方法,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)變速器輻射噪聲,為進(jìn)一步研究變速器噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考;李文平等[12]建立了車窗系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型和聲學(xué)仿真模型,實(shí)現(xiàn)了轎車車窗上升過程振動(dòng)響應(yīng)及噪聲仿真;王鵬斌等[13]從噪聲對(duì)環(huán)境舒適性影響的角度,通過動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)仿真研究了輪胎噪聲聲源。因此,利用動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)仿真模擬車輛車胎與無損/有損伸縮縫的碰撞產(chǎn)生的噪聲特征,優(yōu)化麥克風(fēng)的布局,技術(shù)上可行。

現(xiàn)建立無損和以路面破損導(dǎo)致伸縮縫鋼筋外露為典型損傷特征的伸縮縫路段模型,采用動(dòng)力學(xué)仿真獲取車胎與伸縮縫碰撞過程的加速度場(chǎng),并在聲學(xué)仿真中將其表征為聲壓,模擬跳車過程中的環(huán)境聲場(chǎng),分析聲場(chǎng)特征并研究跳車高度對(duì)聲場(chǎng)的影響,確定用于伸縮縫健康監(jiān)測(cè)的麥克風(fēng)布局。為基于噪聲分析的伸縮縫健康監(jiān)測(cè)提供方案指導(dǎo)。

1 跳車過程動(dòng)力學(xué)-聲學(xué)仿真

輪胎-伸縮縫的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖1所示,其中圖1(a)為無損伸縮縫,伸縮縫的C型鋼表面與混凝土表面齊平;圖1(b)為損傷伸縮縫,混凝土破損后伸縮縫的鋼筋部分外露。考慮到計(jì)算成本,所有模型幾何尺寸按實(shí)際尺寸的1/4進(jìn)行縮放,模型中路面大小為1.5 m×1.5 m×0.25 m,輪胎直徑0.35 m,寬度0.08 m,水平速度5 m/s,豎直方向初速度為0,伸縮縫的幾何模型參考GQF-C型伸縮縫。對(duì)于無損和損傷的伸縮縫,分別選取輪胎和伸縮縫間距0.01、0.03、0.06 m作為跳車高度?？紤]到車輛的載重,模型中在輪胎中心點(diǎn)處施加2 450 N、方向豎直向下的集中力。輪胎與伸縮縫間采用罰函數(shù)的接觸方式設(shè)置了接觸對(duì),計(jì)算不同跳車高度下伸縮縫的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。動(dòng)力學(xué)計(jì)算在商業(yè)有限元軟件COMSOL中完成。

模型中輪胎為橡膠,伸縮縫為結(jié)構(gòu)鋼,路面為混凝土,主要的材料參數(shù)如表1所示。其中,由于伸縮縫和路面相較于輪胎剛度較大,在跳車過程中伸縮縫和路面的變形量小,所以在定義本模型中結(jié)構(gòu)鋼和混凝土?xí)r只需要考慮其線彈性范圍的力學(xué)屬性即可。但是,輪胎在跳車過程中會(huì)發(fā)生較大變形,因此需要表征橡膠材料的超彈性模型。本文研究采用的是經(jīng)典的Mooney-Rivlin模型。Mooney-Rivlin模型采用彈性應(yīng)變能來表征力學(xué)性能,考慮到計(jì)算成本和計(jì)算精度要求,使用Mooney-Rivlin模型2參數(shù)形式的本構(gòu),表達(dá)式為

表1 模型材料參數(shù)

(1)

(2)

多體動(dòng)力學(xué)在時(shí)域求解,而聲學(xué)在頻域求解。由于聲學(xué)計(jì)算在頻域聲學(xué)范疇下開展,其控制方程采用赫姆霍茲方程,即

(3)

式(3)中:?為梯度算子;ρc為材料密度;pt為總聲壓;qd、Qm分別為單、偶極子源項(xiàng);Keq為角頻率與材料聲速的比值。

聲學(xué)仿真中硬聲場(chǎng)邊界條件為

(4)

式(4)中:n為表面法向方向。

具體地,在計(jì)算中將輪胎與伸縮縫接觸區(qū)域的法向加速度轉(zhuǎn)換為頻域,并用作噪聲源,然后執(zhí)行聲學(xué)分析,以計(jì)算圖1(a)中麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1、2和3的聲壓級(jí)。

2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果

動(dòng)力學(xué)仿真可以得到跳車過程的應(yīng)力云圖。圖2為無損和有損狀態(tài)下輪胎與損傷伸縮縫接觸過程出現(xiàn)最大應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力云圖。圖3為不同跳車高度下伸縮縫無損和有損狀態(tài)下的最大應(yīng)力曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),輪胎與無損伸縮縫接觸的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于相同跳車高度時(shí)損傷伸縮縫的最大應(yīng)力。無損狀態(tài)下,最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪胎與伸縮縫接觸時(shí)的混凝土位置,跳車高度0.06 m時(shí)最大應(yīng)力為2.5 MPa;損傷狀態(tài)下,最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪胎與伸縮縫接觸時(shí)的鋼筋位置,跳車高度0.06 m時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到27.1 MPa。

圖2 跳車過程伸縮縫應(yīng)力云圖

圖3 跳車高度-最大應(yīng)力曲線

圖4為不同跳車高度下無損和有損伸縮縫系統(tǒng)的最大加速度曲線。系統(tǒng)的加速度是噪聲輻射的量度,在后續(xù)的聲學(xué)仿真中需將其作為聲學(xué)的聲壓源,因此對(duì)聲學(xué)仿真十分重要。可以發(fā)現(xiàn),隨著跳車高度的增加,系統(tǒng)的最大加速度隨之增大,同時(shí)在相同跳車高度下有損伸縮縫的最大加速度也顯著大于無損的工況。

圖4 跳車高度-最大加速度曲線

3 聲學(xué)仿真結(jié)果

圖5為跳車高度為0.06 m時(shí)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)2處記錄到的聲壓-時(shí)間曲線。從圖5可以明顯看出,相較于損傷伸縮縫下記錄到的聲波信號(hào),無損狀態(tài)下的聲壓幅值更小,同時(shí)波形也略微滯后于損傷下的波形。因此,通過麥克風(fēng)記錄到的聲壓-時(shí)間曲線,可以對(duì)伸縮縫進(jìn)行損傷探測(cè)。

圖5 無損和有損伸縮縫下跳車噪聲聲壓-時(shí)間曲線

為研究不同麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的噪聲信號(hào)差異,以跳車高度0.06 m的損傷伸縮縫為例,調(diào)取麥克風(fēng)1、2和3記錄到的聲壓-時(shí)間曲線(圖6)?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著麥克風(fēng)遠(yuǎn)離輪胎與伸縮縫的接觸點(diǎn),聲壓的幅值會(huì)逐漸下降且波形規(guī)律基本保持不變,但聲壓幅值仍明顯高于無損狀態(tài)下的聲壓幅值。因此,在工程實(shí)際中,可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量條件在伸縮縫附近布置測(cè)點(diǎn)而不影響伸縮縫的健康監(jiān)測(cè)。

圖7為聲學(xué)仿真得到的損傷狀態(tài)下不同跳車高度的聲壓級(jí)云圖。從圖7可以發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)于圖1的麥克風(fēng)各測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)1處的聲壓大于測(cè)點(diǎn)2和3的聲壓,同時(shí)跳車高度對(duì)系統(tǒng)聲壓的影響顯著。

圖8為麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)1、2和3記錄到的聲壓-時(shí)間曲線。從曲線中可以看出,跳車高度對(duì)噪聲聲波頻率幾乎沒有影響,不用跳車高度下聲波的波峰和波谷的位置基本保持一致。但是,跳車高度對(duì)噪聲聲壓幅值有一定影響。提取圖8中的不同跳車產(chǎn)生聲波波峰波谷的絕對(duì)值,繪制于圖9?？梢钥闯鎏囋肼暤姆党尸F(xiàn)先增后減的趨勢(shì),同時(shí)跳車高度越大,幅值上升的速度也越大。波峰波谷的最大幅值也呈現(xiàn)跳車高度越大幅值越大的規(guī)律,可以看出,跳車高度0.06 m時(shí)的最大聲壓幅值約為0.01 m時(shí)的1.3倍,約為0.03 m時(shí)的1.1倍。

圖8 不同跳車高度的損傷伸縮縫麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)3的聲壓-時(shí)間曲線

圖9 不同跳車高度的聲壓各波峰波谷絕對(duì)值

4 結(jié)論

采用動(dòng)力學(xué)仿真得到跳車過程輪胎與伸縮縫接觸過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),在此基礎(chǔ)上通過聲學(xué)仿真得到跳車過程產(chǎn)生的噪聲聲場(chǎng),分析損傷伸縮縫的噪聲特征,研究跳車高度對(duì)噪聲特征的影響,確定用于伸縮縫健康監(jiān)測(cè)的麥克風(fēng)布置方案。得到以下結(jié)論。

(1) 伸縮縫的健康狀態(tài)對(duì)輪胎與伸縮縫碰撞過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)有顯著的影響,損傷伸縮縫在跳車過程中的最大應(yīng)力與最大加速度都大于無損伸縮縫。此外,最大應(yīng)力與最大加速度都隨著跳車高度增加而增大。

(2) 無損與損傷伸縮縫跳車噪聲的主要區(qū)別是無損伸縮縫的噪聲聲壓遠(yuǎn)小于損傷伸縮縫,同時(shí)無損伸縮縫的聲壓波形滯后于有損系統(tǒng)?？梢岳迷撎卣鱽碜R(shí)別伸縮縫的健康狀態(tài)。

(3) 跳車高度會(huì)影響系統(tǒng)的聲壓。跳車高度越高,沖擊能量越大,聲壓越大。麥克風(fēng)離跳車位置越近,麥克風(fēng)記錄到的聲壓越大。但是,跳車高度和麥克風(fēng)位置基本不影響除聲壓幅值外的聲波特征。