基于FE-SEA混合法的铝型材振动声辐射特性预测.pdf

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第35卷第3期噪声与振动控制、bl35No．32015年6月NOISEANDVIBRLTIONCoNTROLJun．2015文章编号：1006-1355(2015)03—0033．04+107基于FE—SEA混合法的铝型材振动声辐射特性预测吴健，肖新标，张玉梅，圣小珍(1．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，成都61003l；2．西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室，成都610031)摘要：基于FE．SEA混合法建立高速列车车体铝型材振动声辐射预测模型，并与FE．BEM模型的预测结果进行对比分析，验证模型的有效性，进而运用该模型分析黏弹性阻尼减振降噪技术对于抑制铝型材振动声辐射的效果。结果表明：在型材顶板、底板以及型材内表面敷设黏弹性阻尼可明显抑制500Hz以上中高频频段的振动声辐射。在型材表面敷设黏弹性阻尼时，型材声辐射效率变化不大，型材振动被抑制导致其向半空间辐射声功率降低。对比顶板和型材内表面阻尼敷设形式，在型材底板敷设阻尼具有较高的经济性，更加有利于实现车体的轻量化设计。相关结果可为高速列车车体铝型材的减振降噪设计提供理论参考。关键词：振动与波；高速列车；中空铝型材；振动声辐射；FE．SEA混合法中图分类号：U270．1文献标识码：ADOI编码：10．39698．issn．1006'1335．2015．03．008SoundRadiationPredictionandControlofSectionAluminumofHigh-speedTrain’SCar-bodyBased0nHybridFE-SEAMeth0dWUJian2．ⅪA0xin—biaoI．ZHANG．meiI．SHENGXicIo-zhen(1．StateKeyLaboratoryofTractionPower,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu61003l，China；2．KeyLaboratoryofAdvancedTechnologiesofMaterials，MinistryofEducation，SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031，China)Abstract：ThehybridFE-SEAmodelwasdevelopedtopredictthesoundradiationofsectionaluminumofhigh-speedtrain’Scar-body．ThemodelwasverifiedthroughthecomparisonoftheresultswimthosecalculatedbyusingtheFE-BEMmode1．Theefectoftheviscoelasticdampingtechniqueonthesoundradiationsuppressionwasanalyzedwitl1thismode1．ThepredictionresultsshowthatthesoundradiationofthesectionaluminumwithviscoelasticdampingmaterialattachedtothetopandthebotomandtheinnersurfaceofthesectionaluminumCansignificantlysuppressthesoundradiationinthemedium—and-highfrequencyrangeabove500Hz．Whiletheacousticradiationeficiencydoesnotchangealotiftheviscoelasticdampingmaterialisatachedtotheoutersurfaceofthesectionaluminum．Comparingthetypesoftheviscoelasticdampingmaterialatachment，itisconcludedthattheviscoelasticdampingmaterialatachedtothebotomismoreeconomicandfeasible．Itisbeneficialforthelightcar-bodydesign．Thisworkmayprovideatheoreticalguidanceforthedesignofthesectionaluminumfornoiseandvibrationreductionofthecar-bodies．Keywords：vibrationandwave；high-speedtrain；hollowsectionaluminum；soundradiation；hybridFE-SEA近年来我国的高速铁路获得了迅猛发展，高速的不断提高，车内噪声问题己引发广泛的关注，车内列车的最高运营速度达到350km／h，更高运营速度噪声水平己成为评价车内乘坐舒适度的重要指标之一的高速列车也正在研制中。随着高速列车运营速度，直接影响高速列车在运输行业的竞争力n，。为满足高速运行需要，高速列车需要具有轻量化的车收稿日期：2015-01—13体结构，中空挤压铝型材结构车体在高速列车上得基金项目：国家自然科学基金(51475390，U1434201)；到广泛的应用口，。在列车运行过程中，车体受到外国家863计~(2011AA11A103．2．2)界激扰力的作用，激励车体铝型材振动并向车内外作者简介：吴健(1990一)，男，辽宁锦州人，硕士研究生，目前辐射噪声。因此，研究高速列车车体铝型材的振动从事高速列车减振降噪研究。声辐射特性，对于控制车体的结构传声、改善车内的E—mail：wujian05l1@126．corn通讯作者：圣小珍，男，教授，博士生导师。声振环境具有着非常重要的意义。E．mail通过实验测试可以获取高速列车车体铝型材的 36噪声与振动控制第35卷动降低铝型材向半空间辐射声功率。在型材顶板和内表面敷设阻尼材料，铝型材输入导纳和声辐射效∞率的计算结果的规律与上文所述基本相同，限于文∞m章篇幅原因，文中未给出其计算结果。褂恨1oo200400800160063003l5O叶：’mI／3倍频程中心频率／HzOl图81／3倍频程频谱特lE．3型材辐射黏弹性阻尼对于高速列车车内的减振降噪1002oo400800l600630031SO具有积极作用。113倍频程中心频率／Hz车体铝型材向半空间范围内辐射声功率的大小图9铝型材声辐射效率与铝型材顶板表面各点的振动速度的幅值有关，幅值越大，辐射声功率越大；同时，还与铝型材顶板表I】三．3面振动速度的分布有关，在相同振动速度幅值的情们况下，不同的速度分布所辐射的声功率也不相同。邑邑IE-4本文用输入导纳表征单位外界激励力引起的铝型材舔顶板振动速度的大小，用声辐射效率表征铝型材顶Ⅲ板表面法相振动速度的空间均方相等的情况下各种IE．5速度分布辐射声功率的能力。在型材顶板和内表面100200400800l60o6300敷设阻尼材料，铝型材辐射声功率的1／3倍频程频谱315O规律与上文所述基本相同，限于文章篇幅原因，文中1／3倍频程中心频率／Hz未给出其计算结果。图10铝型材输入导纳铝型材的输入导纳如式(6)所示，为铝型材顶板4结语的均方根速度幅值与外界激励力幅值之比。本文基于FE．SEA混合法建立了高速列车车体输入导纳=堡型磊(6)铝型材振动声辐射预测模型，并与FE．BEM模型的铝型材声辐射效率如式(7)所示预测结果进行对比分析，验证了模型的有效性，进而一㈩应用该模型分析了黏弹性阻尼减振降噪技术对于抑制铝型材振动声辐射的效果。计算结果表明：式中P为铝型材顶板振动辐射到半空间的声功(1)FE．SEA混合模型与FE．BEM模型相比，既率，P为与铝型材顶板具有相同表面积和相同均可以保证预测结果精确可靠，又具有快速简便的方根速度的刚性平板辐射到半空间的声功率。声辐优点；射效率的大小与铝型材顶板的振动速度的幅值无(2)在型材顶板、底板以及型材内表面敷设黏弹关，而只与速度的分布有关。性阻尼材料可明显抑制500Hz以上中高频频段的为研究在铝型材表面辐射黏弹性阻尼抑制铝型振动声辐射：材振动声辐射的机理，我们从铝型材的输入阻抗和(3)在型材表面敷设黏弹性阻尼材料时，型材声声辐射效率两方面对其进行探讨。图9和图10给出辐射效率变化不大，但由于型材的振动被抑制导致了在铝型材底板敷设不同厚度黏弹性阻尼后铝型材其向半空间辐射声功率降低；声辐射效率和输入导纳的变化情况。从图中可以看(4)对比顶板和型材内表面阻尼敷设形式，型出，铝型材的声辐射效率在计算频段均未发生明显材底板敷设阻尼材料具有较高的经济性，更加有利改变；随着敷设阻尼层厚度的增加，铝型材500Hz于实现车体的轻量化设计。以上频段的输入导纳明显降低。因此在型材底板敷(下转第107页)设黏弹性阻尼材料主要是通过抑制铝型材顶板的振 第3期某型立式给水泵机组水润滑轴承一转子系统的动力学特性分析107处振幅较大约为O-3岬，低转速振幅较小约为0．006reinforcedepoxycompositesunderdryslidingandwater，两者相差50倍。同时，高转速下水膜充分形成，lubricatedcondition[J]．Wear,2006，261(11)：1293-1297．水膜刚度矩阵不对称，故而其轴心轨迹是一个椭圆，[2】MajumdarB，R．Pai，D．Hargreaves．Analysisofwater-而低转速下水膜较薄，刚度极大而对位移的影响可lubricatedjournalbearingswithmultipleaxialgrooves[J]．忽略不计，支撑总刚度近似取为橡胶衬层刚度，故刚JournalofEngineeringTribology,2004，218(2)：135—度矩阵对称，叶轮处轴心轨迹是一个标准圆。146．[3】WangNan，Experimentalresearchonfilmpressure4结语distributionofwater-lubricatedrubberbearingwith通过研究不同润滑状态下某型立式给水泵机组multiaxialgrooves[J]．JournalofFluidsEngineering，水润滑轴承动力学建模方法以及水润滑轴承一转子2013，135(8)：084501．系统动力学特性分析，得出以下结论：[4】王楠．多沟槽水润滑橡胶轴承水膜压力的无线测试方法[J】．西安交通大学学报，2013，47(3)：1-6．(1)不同工况下，水润滑轴承润滑状态不同，相【5】温诗铸，黄平．摩擦学原理【M】．北京：清华大学出版社，应的动力学建模方法不同；膜厚比大于6时水润滑20o2．轴承处于流体动压润滑状态，建模与普通油润滑轴【6】欧阳武，袁小阳．考虑局部固体接触的滑动轴承主刚度承相同；膜厚比小于6时水润滑轴承处于弹流润滑和主阻尼研究[J]．西安交通大学学报，2014，48(1)：112．状态，水润滑轴承支撑刚度的计算是水膜刚度和轴117．瓦材料刚度之间串联总刚度；[7】钟一谔，何衍宗，王正．转子动力学[M】．北京：清华大学(2)水润滑轴承不同的动力学建模方法对立式出版社，1987．转子系统的固有频率、不平衡响应、轴心轨迹等有较【8】万长森．滚动轴承的分析方法[M】．北京：机械工业出版大影响；社，1987．(3)提出的水润滑轴承动力学建模方法对其他[9]杨志荣，秦春云，饶柱石，等．船舶推力轴承纵向橡胶减类型的水润滑轴承一转子系统也具有适用性。振器设计[J]噪声与振动控制，2013，33(6)：211-215．参考文献：【1O】冯国平，谌勇，黄修长，等．舰艇艉部纵向激励传递特性[1】WuJ，ChengX．ThetribologicalpropertiesofKevlarpulp分析[J]．噪声与振动控制，2009，29(6)：132-135．(上接第36页)参考文献：[1】赵艳菊，林君山，梁建英，等．混合FE．SEA方法预测高速【7】张军，王悦东，兆文忠．中空挤压铝型材声振系统统计能量分析【J]．大连交通大学学报，2010，31(4)：101-104．列车车体结构隔声量[J]．嗓声与振动控制，2013，33(5)：72．76．[8】LangleyRS，BremnerEAhybridmethodforthe【2】于宇．基于混合FE—SEA方法的超高速列车车内噪声预vibrationanalysisofcomplexstructural-acousticsystems测与控制[D】．成都：西南交通大学．2012．[J]_JournaloftheAcousticalSocietyofAmerica，1999，[3】李革，王善哲．高速客车轻量化车体结构的选择[J】．铁道105：1657．1671．车辆，1999，37(6)：12．15．[9】LangleyRS．Midandhigh-frequencyvibrationanalysisofstructureswithuncertainproperties[A]．Proceedingsofthe[4]海邦君．铝合金车体设计研究[J】．铁道车辆，2003，4111InternationalCongressonSoundandVibratio，St．(10)：26—29．Petersburg，Russia，2004．[5】纪琳．中频振动分析方法[M】．北京：机械工业出版社，[10】ShorterPJ，LangleyRS．AhybridFE-SEAmethodfor2013，1．11．theanalysisofcomplexvibroacousticsystems[J]．J．[6】Montgomery,M．ModerlingofaircraRstructural—Aeoust．Soe．，Am．，2005，105：1657-1671．acousticresponsetocomplexsourcesusingcoupledFEM-[11】郝志勇，丁正印．基于SEA法快速优化设计镁质复合前BEManalyses．Proceedingsofthe10AIAA／CEAS围板[J】．天津大学学报，2015，48(1)：33-3．AreoacousticsConference．AIAA2004-2822．