一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法与流程

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1.本发明涉及轨道交通振动控制技术领域，特别是涉及一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法。

背景技术：

2.车辆段作为一种新型建筑形式，其上盖物业开发必然会面临一系列问题和挑战。其中，地铁列车进出库时引起的上盖建筑振动与二次噪声问题尤其值得关注。车辆段上盖物业在我国发展历史较短，实际工程并不多，缺乏实际经验，主要通过仿真分析预测车辆段上盖建筑振动与噪声，并据此应用减振措施。
3.影响仿真分析准确性的主要是振动激励荷载与土层参数，土层参数可以通过当地的地质勘察资料获得相对较为准确的数值。而荷载往往是依据标准轨道谱计算，为提高模型的正确性，需要反复验证并修改参数。初始输入误差较大，会导致模型验证过程中不确定变量增加，影响仿真结果的准确度。另外，由于输入的轨道谱为一个定值，只能计算匀速情况的荷载，无法实现列车进出库的加减速荷载的计算。
4.与常规线路不同，列车进入车辆段运行速度会降低，咽喉区、小半径区速度小于25km/h，进出库速度小于5km/h，且轨道状态会较好。可以合理假定车辆与轨道接触点的加速度一致，则可以通过测试钢轨加速度计算得到荷载，提高仿真分析的准确度。

技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在车辆段荷载计算误差大的技术缺陷，而提供一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法。
6.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，包括以下步骤：步骤s1、获取轨道系统钢轨跨中位置和振动传播路径上的垂向加速度，分别得到钢轨加速度的实测值和传播路径加速度的实测值；步骤s2、将步骤s1得到的钢轨加速度的实测值进行小波分解，过滤信号高频噪声，再重构加速度时间历程信号，用fourier级数将重构后的加速度展开为多重频率正弦函数和余弦函数构成的无穷级数，得到预处理后的钢轨加速度；步骤s3、简化列车一系、二系悬挂系统，建立列车振动模型，运用力的直接平衡法建立地铁列车的车体和悬挂系统的运动平衡方程；步骤s4、建立约束条件，构建车轮与钢轨的相对运动关系，将步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度带入所述运动平衡方程中，求解所述的运动平衡方程，运用达朗贝尔原理，将运动平衡方程转化为静力平衡方程，求解转向架荷载；步骤s5、将列车相关参数带入均布荷载表达式中，计算得到沿轨道纵向均匀分布的均布荷载；步骤s6、运用midas或ansys商业软件建立有限元仿真分析模型，输入步骤s5得到
的均布荷载，计算测点加速度，得到传播路径加速度的仿真值，结合步骤s1得到的传播路径加速度的实测值，修正均布荷载，得到车辆段振动噪声仿真荷载。
7.在上述技术方案中，所述步骤s1中钢轨跨中位置的垂向加速度为钢轨加速度，所述的钢轨加速度通过实测获得，所述钢轨加速度的测点为建筑柱网主要受力柱垂直断面，振动传播路径上的垂向加速度为传播路径加速度，所述传播路径加速度的测点为从下往上依次为立柱、盖上平台、建筑，所述步骤s1中的传播路径加速度选取立柱加速度、盖上平台加速度、建筑加速度中的一种或两种，钢轨加速度和传播路径加速度的测试频率≥200hz。
8.在上述技术方案中，所述步骤s2中的钢轨加速度为acc(t)，加速度时长为t0，采样间隔为，则所述正弦函数、余弦函数和无穷级数展开公式为：，，，式中，c1i为fourier余弦系数，c2i为fourier正弦系数，为基准角频率，n为无穷级数的有限表达数。
9.在上述技术方案中，所述步骤s3中，列车振动模型成立的约定为，每节车厢经过时产生的振动是一致的，轮轨力沿着轨道纵向均匀分布，一系悬挂、二系悬挂均等效为弹簧和阻尼单元，一系质量、二系质量、车体质量不考虑柔性变形，均等效为刚体质量；建立车体和悬挂系统的运动平衡方程为：式中，mi（i=2，3）分别表示二系质量和车体质量，ki（i=1，2）分别表示一系悬挂刚度和二系悬挂刚度，ci（i=1，2）分别表示一系悬挂阻尼和二系悬挂阻尼；为钢轨位移，为步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度，（i=1，2，3）分别表示一系、二系和车体的位移，（i=2，3）分别表示二系和车体的速度，（i=1，2，3）分别表示一系、二系和车体的加速度。
10.在上述技术方案中，所述步骤s4的约束条件为，轮轨状态满足iso3095限值要求且列车运行速度低于40km/h，忽略车轮与钢轨之间的弹跳，则构建的车轮与钢轨的相对关系为一系的位移，此时步骤s4的运动平衡方程未知量降为2个，代入步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度，求解得到二系位移、车体位移；在上述技术方案中，在所述的约束条件下，步骤s4的转向架荷载即为列车系统的反力，其应等于列车系统重力与列车系统振动产生的动力之和：
式中，f
rail
为转向架荷载，g为重力加速度，mi， i=1，2，3，分别表示一系质量、二系质量和车体质量，，i=1，2，3，分别表示一系、二系和车体的加速度。
11.在上述技术方案中，所述步骤s5代入车厢节数和列车长度，计算得到列车在单位长度上的荷载，便于后续步骤根据验证结果调整荷载大小，引入荷载修正系数k，得到的均布荷载表达式为：式中，f
rail
为转向架荷载，为荷载修正系数（初始值为1），为车厢节数，为列车长度。
12.在上述技术方案中，所述步骤s6实现的具体流程为：运用midas或ansys商业软件建立车辆段轨道-环境地层-地面建筑系统有限元仿真分析模型；输入车辆参数，根据均布荷载表达式，计算均布荷载，代入所述有限元仿真分析模型计算即传播路径加速度的仿真值；建立修正条件，对比传播路径加速度实测值与仿真值，调整值，当传播路径加速度的仿真值比传播路径加速度的实测值大时，降低k值；反之，增大k值，修正均布荷载；当传播路径加速度的仿真值与实测值差距在10%以内时，则得到车辆段振动噪声仿真荷载。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明根据车辆段线路特点、运行速度，建立约束条件，基于测试的钢轨加速度，提出一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，用于列车在车辆段低速运行时，准确模拟进出库的加减速过程和提高仿真分析准确度。
14.2. 本发明以实测加速度作为荷载的输入条件，能够真实反映车辆段振动状态，提高车辆段振动噪声预测精度，为减振降噪措施选型提供参考。本发明可准确计算加速、减速状态下的荷载，模拟工况更为全面，计算结果更为准确。
附图说明
15.图1是本发明的流程框图；图2是实施例滤波重构后的钢轨加速度时程曲线图；图3是实施例构建的列车振动模型图；图4是实施例计算得到的均布荷载图；图5是实施例验证用的仿真模型图；图6是实施例加速度时间历程对比验证图。
具体实施方式
16.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
17.实施例1参见图1，本发明的一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，包括以下步骤：
步骤s1，对需要研究的车辆段开展测试，在车辆段运用库钢轨上布置测点以测量钢轨加速度（垂向加速度），在立柱布置测点同步开展测试以测量立柱垂向加速度，得到立柱垂向加速度的实测值，作为传播路径加速度的实测值，为后续振动荷载校核。
18.步骤s2，将步骤s1得到的钢轨加速度进行小波分解，过滤电磁干扰信号和非正常高频噪声，再重构加速度时间历程信号，用fourier级数将重构后的加速度开展为多重频率正弦函数和余弦函数构成的无穷级数，如图2所示，得到预处理后的钢轨加速度。
19.步骤s3，假设每节车厢经过时产生的振动是一致的，轮轨力沿着轨道纵向均匀分布，一系悬挂、二系悬挂均等效为弹簧和阻尼单元，一系质量、二系质量、车体的质量不考虑柔性变形，均等效为刚体质量，建立列车振动模型如图3所示。根据此模型，可以得到车体的运动平衡方程为：，同理，得到悬挂系统的运动平衡方程为：，式中，mi（i=2，3）分别表示二系质量和车体的质量，ki（i=1，2）分别表示一系悬挂刚度和二系悬挂刚度，ci（i=1，2）分别表示一系悬挂阻尼和二系悬挂阻尼；为钢轨位移，为钢轨加速度。
20.此时，为步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度，为已知量。、、为三个未知变量，分别代表一系、二系和车体位移，（i=2，3）分别表示二系和车体的速度，（i=1，2，3），分别表示一系、二系和车体的速度。求解上述两个方程，还需要进一步明确钢轨和车辆的关系。
21.步骤s4，假设轮轨状态满足iso3095限值要求且列车运行速度低于40km/h，忽略车轮与钢轨之间的弹跳，则构建的车轮与钢轨的相对关系为一系的位移，此时步骤s4的运动平衡方程未知量降为2个，代入步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度求解得到二系位移、车体位移；根据达朗贝尔原理，图3所示列车振动模型的列车系统重力与列车系统振动产生的动力之和为钢轨反力，则可到单个转向架产生的转向架荷载为：式中，f
rail
为转向架荷载，g为重力加速度，mi，i=1，2，3，分别表示一系质量、二系质量和车体质量，，i=1，2，3，分别表示一系、二系和车体的加速度。
22.步骤s5，假设为车厢节数，为列车长度，为荷载修正系数（初始值为1），在列车长度方向上计算得到均布荷载为：
式中，f
rail
为转向架荷载，为荷载修正系数，初始值为1，为车厢节数，为列车长度。
23.上述求解过程，将一系、二系和车体考虑为刚体质量是合理的，因为普通轨道，地铁列车引起的地表振动响应主频范围在40～70hz之间，土层对100hz以上部分有较大的衰减。实际上只要反映出100hz以下频段的地表振动响应规律即可满足需要，该频率区段内考虑一系、二系和车体的振动变形对结果影响微弱，因此此假设可得到合理的均布荷载，如图4所示。
24.步骤s6，采用midas或ansys商业软件，建立车辆段轨道-环境地层-地面建筑系统有限元仿真分析模型，如图5所示，模型包括轨道、土层、立柱和上盖平台，用于激励力输入和加速度验证，设置模型边界条件、土层动弹性模量，将计算得到的图4所示荷载代入仿真模型计算振动传递路径中立柱垂向测点的加速度，与步骤s1得到的立柱垂向加速度的实测值对比。当实测立柱垂向加速度与同位置计算得到的立柱垂向测点的加速度幅值误差大于10%，调整k值，直到二者误差在10%以内，则达到荷载修正目的。由图6可知，计算结果与实测结果吻合较好，验证该轮轨荷载计算方法的正确性。
25.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1、获取轨道系统钢轨跨中位置和振动传播路径上的垂向加速度，分别得到钢轨加速度的实测值和传播路径加速度的实测值；步骤s2、将步骤s1得到的钢轨加速度的实测值进行小波分解，过滤信号高频噪声，再重构加速度时间历程信号，用fourier级数将重构后的加速度展开为多重频率正弦函数和余弦函数构成的无穷级数，得到预处理后的钢轨加速度；步骤s3、简化列车一系、二系悬挂系统，建立列车振动模型，运用力的直接平衡法建立地铁列车的车体和悬挂系统的运动平衡方程；步骤s4、建立约束条件，构建车轮与钢轨的相对运动关系，将步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度带入所述运动平衡方程中，求解所述的运动平衡方程，运用达朗贝尔原理，将运动平衡方程转化为静力平衡方程，求解转向架荷载；步骤s5、将列车相关参数带入转向架荷载表达式中，计算得到沿轨道纵向均匀分布的均布荷载；步骤s6、运用midas或ansys建立有限元仿真分析模型，输入步骤s5得到的均布荷载，计算测点加速度，得到传播路径加速度的仿真值，结合步骤s1得到的传播路径加速度的实测值，修正均布荷载，得到车辆段振动噪声仿真荷载。2.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s1中所述钢轨加速度的测点为建筑柱网主要受力柱垂直断面，振动传播路径上的垂向加速度为传播路径加速度，所述传播路径加速度的测点为从下往上依次为立柱、盖上平台、建筑，所述步骤s1中的传播路径加速度选取立柱加速度、盖上平台加速度、建筑加速度中的一种或两种。3.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，钢轨加速度和传播路径加速度的测试频率≥200hz。4.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s2中的钢轨加速度为acc(t)，加速度时长为t0，采样间隔为，则所述正弦函数、余弦函数和无穷级数展开公式为：，，，式中，c1
i
为fourier余弦系数，c2
i
为fourier正弦系数，为基准角频率，n为无穷级数的有限表达数。5.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s3中，列车振动模型成立的约定为，每节车厢经过时产生的振动是一致的，轮轨力沿着轨道纵向均匀分布，一系悬挂、二系悬挂均等效为弹簧和阻尼单元，一系质量、二系质量、车体质量
不考虑柔性变形，均等效为刚体质量；建立车体和悬挂系统的运动平衡方程为：式中，m
i
， i=2，3，分别表示二系质量和车体质量；k
i
，i=1，2，分别表示一系悬挂刚度和二系悬挂刚度；c
i
，i=1，2，分别表示一系悬挂阻尼和二系悬挂阻尼；为钢轨位移，为步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度；，i=1，2，3，分别表示一系、二系和车体的位移；，i=2，3，分别表示二系和车体的速度；，i=1，2，3，分别表示一系、二系和车体的加速度。6.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s4的约束条件为，轮轨状态满足限值要求且列车运行速度低于40km/h，忽略车轮与钢轨之间的弹跳，则构建的车轮与钢轨的相对关系为一系的位移，此时步骤s4的运动平衡方程未知量降为2个，代入步骤s2得到的预处理后的钢轨加速度，求解得到二系位移、车体位移。7.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，在所述的约束条件下，步骤s4的转向架荷载即为列车系统的反力，其等于列车系统重力与列车系统振动产生的动力之和：式中，f
rail
为转向架荷载；g为重力加速度；m
i
， i=1，2，3，分别表示一系质量、二系质量和车体质量；，i=1，2，3，分别表示一系、二系和车体的加速度。8.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s5代入车厢节数和列车长度，计算得到列车在单位长度上的荷载，引入荷载修正系数k，得到的均布荷载表达式为：式中，f
rail
为转向架荷载，为荷载修正系数，初始值为1，为车厢节数，为列车长度，将列车相关参数带入转向架荷载表达式中，计算得到沿轨道纵向均匀分布的均布荷载。9.如权利要求1所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，所述步骤s6实现的具体流程为：运用midas或ansys建立车辆段轨道-环境地层-地面建筑系统有限元仿真分析模型；输入车辆参数，根据均布荷载表达式，计算均布荷载，代入所述有限元仿真分析模型计算得到传播路径加速度的仿真值；建立修正条件，对比传播路径加速度实测值与仿真值，调整值。10.如权利要求9所述的车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，其特征在于，当传播路径加速度的仿真值比传播路径加速度的实测值大时，降低k值；反之，增大k值，修正均布荷载；当传播路径加速度的仿真值与实测值差距在10%以内时，则得到车辆段振动噪声仿真荷载。

技术总结

本发明公开了一种车辆段振动噪声仿真荷载实现方法，包括以下步骤：得到钢轨加速度的实测值和传播路径加速度的实测值；将钢轨加速度的实测值开展为多重频率正弦函数和余弦函数构成的无穷级数，得到预处理后的钢轨加速度；建立车体和悬挂系统的运动平衡方程；求解所述的运动平衡方程，运用达朗贝尔原理，将运动平衡方程转化为静力平衡方程，求解转向架荷载；将列车相关参数带入转向架荷载表达式中，修正转向架振动荷载，得到沿轨道纵向均匀分布的均布荷载；建立有限元仿真分析模型，修正均布荷载，得到车辆段振动噪声仿真荷载。本发明可准确计算加速、减速状态下的荷载，模拟工况更为全面，计算结果更为准确。计算结果更为准确。计算结果更为准确。