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高速动车组结构振动与噪声预测研究

张倍  
【摘要】:随着铁路客车的迅速发展和列车运行速度的大幅度提升,结构振动引发的部件疲劳问题和车内噪声问题日益突出。因此,本文以某CRH3高速动车组中间车为研究对象,基于有限元法和边界元法,对结构振动引起的室内噪声进行数值仿真分析;基于改进的可行方向法,以转向架部件为研究对象,进行动力优化分析。主要研究工作如下: 首先,在对某CRH3高速动车组中间车的车身结构、连接方式及焊接关系进行全面了解后,建立了车身结构有限元模型;采用Block Lanczos法,对车身进行了无约束自由模态分析;采用直接积分法,对车体在单位激励载荷作用下的频率响应进行了分析。计算结果表明:车体结构的低阶模态显示出整体性,在较高频率段,主要以局部模态为主;在激励力载荷作用下,车身结构的振动形式主要表现为车顶、底架和侧墙的局部变形,其中车底两端局部和侧墙局部振动响应变形较大。 其次,采用实体单元建立了车内声腔有限元模型;对有、无座椅条件下的室内空腔声学模态进行计算,并与车身结构模态计算结果进行对比。计算结果表明包含座椅的室内空腔声学模态在13.6Hz、27.7Hz和34.3Hz时,与车身结构模态振动频率非常接近,可能会产生耦合现象,加大车内噪声。 然后,建立车身结构的边界元模型,研究了激励载荷作用下车内声学特性情况。分析了在20-200Hz频率范围内车内6个测试点的声压值,获得了出现声压级峰值的5个频率:42Hz、64Hz、128Hz、134Hz、144Hz;给出了在这些频率处的室内纵、横向域平面内的声压级分布云图,讨论了添加吸声系数对域平面声压值及分布情况的影响;将车体壁板划分为33组面板,并对这些面板进行声学贡献度分析,给出了峰值频率处各组板件对车体中心参考点的声压贡献直方图,根据这些面板组贡献度的正负及数值大小,为降低室内噪声的结构修改措施提供理论依据。 最后,为解决CRH3高速动车组运行时转向架部件结构的固有频率分布与轮轨激扰的频率分布接近问题,对转向架部件进行特征值灵敏度分析,确定部件结构参数对固有频率的灵敏程度。然后,选取灵敏结构参数为设计变量,采用改进的可行方向法对转向架部件以频率为约束条件、重量最小化为目标函数进行动力优化设计。优化后的转向架部件的一阶频率提高至42Hz,从而使动车组运行具有更高的安全性。 本课题得到国际科技合作项目(编号:2010DF80050)及铁道部科技研究开发计划(编号:2009J005-C)的资助。


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