面向约束阻尼车轮的减振降噪性能提升方法

摘要

车轮噪声是铁路噪声的主要噪声源，抑制车轮振动噪声是实现铁路减振降噪的重要目标。本文针对车轮振动噪声抑制需求，研究了基于约束阻尼车轮的减振降噪方法，并提出了两种减振降噪性能提升方法:基于约束阻尼层割缝的性能提升方法和基于声学黑洞的性能提升方法。基于约束阻尼层割缝的方法是通过合理切割约束阻尼层，改变阻尼层剪切变形分布，提高车轮振动阻尼效果，达到抑制车轮振动的目的。而基于声学黑洞的方法，则是将含约束阻尼层的声学黑洞结构应用到列车车轮上，通过声学黑洞结构将车轮振动能量吸收并耗散，达到抑制车轮振动的目的。另外，通过在声学黑洞结构中引入割缝，可更好地实现抑制车轮振动的作用。主要研究内容和成果如下:
　　(1)约束阻尼车轮阻尼性能分析模型与影响参数分析。约束阻尼层结构的性能与阻尼层和约束层的厚度有关，研究约束阻尼层厚度参数对车轮减振性能的影响规律对设计具有重要意义。基于商用软件ABAQUS建立了单侧敷设约束阻尼层的列车车轮的有限元模型，并引入结构损耗因子以衡量约束阻尼车轮的阻尼性能。通过谐响应分析得出了约束层和阻尼层厚度对结构损耗因子的影响。结果表明，随着约束层厚度的增大，全频段的结构损耗因子不断提高;而随着阻尼层厚度的增大，高频段的损耗因子不断增大，而低频段相反。综合分析，针对本文中的标准车轮，阻尼层和约束层厚度均设为2mm可使车轮的减振性能达到较优水平。
　　(2)基于约束阻尼层割缝的阻尼性能提升方法。约束阻尼层结构的阻尼特性主要依赖于阻尼层的剪切变形模式，基于约束阻尼层割缝提高阻尼层的剪切性能是提高车轮阻尼性能的有效方式。针对约束阻尼车轮，研究了约束阻尼层环向切割和径向切割对车轮阻尼性能的影响。研究结果表明:合理布置割缝是改善高频振动噪声抑制效果的有效方法。环向割缝可抑制车轮个别模态的振动，但整体减振效果并不明显;径向割缝可大幅提高结构高频段车轮的结构损耗因子，更好地抑制车轮振动。径向割缝可使高频段损耗因子提高10％-75％，对应的模态峰值下降2dB-5dB，相当于振幅降低37％-68％。
　　(3)基于声学黑洞的阻尼性能提升方法。声学黑洞结构的减振性能依赖于黑洞的结构参数，研究声学黑洞参数对结构减振效果的影响尤为重要，且对标准车轮引入声学黑洞是实现抑制车轮振动的有效方式。对含声学黑洞的薄板进行有限元分析，分别讨论了声学黑洞曲率、尺寸和阻尼材料敷设区域对薄板振动的影响。最后对车轮布置声学黑洞结构，并在黑洞表面敷设约束阻尼层，计算车轮的谐响应情况。结果表明，相对于原车轮，声学黑洞车轮可以达到与约束阻尼车轮相类似的减振效果，并且对声学黑洞进行合理的切割可以进一步抑制车轮的振动。相比含割缝的约束阻尼车轮的最优结果，含割缝的声学黑洞车轮的共振峰值可降低1-4dB，相当于振幅下降21％-60％。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 抑制车轮噪声的主要方法

1．3 约束阻尼层结构

1．4 声学黑洞简介

1．5 本文主要工作

2 约束阻尼车轮模态分析及结构损耗因子的计算

2．1 车轮模态分析

2．1．1 无约束车轮模态分析

2．1．2 约束阻尼车轮模态分析

2．2 车轮谐响应分析及结构损耗因子的计算

2．2．1 谐响应分析

2．2．2 结构损耗因子计算

2．3 约束阻尼层厚度对车轮振动性能影响

2．3．1 约束层厚度对车轮振动性能影响

2．3．2 阻尼层厚度对车轮振动性能影响

2．4 本章小结

3 含均匀割缝的约束阻尼车轮性能分析

3．1 约束阻尼层割缝处理

3．1．1 含约束阻尼层的二维悬臂梁割缝处理

3．1．2 含约束阻尼层的列车车轮割缝形式简介

3．2 环向切割约束阻尼层

3．2．1 结构损耗因子

3．2．2 幅频振动曲线

3．3 径向切割约束阻尼层

3．3．1 结构损耗因子

3．3．2 幅频振动曲线

3．4 本章小结

4 含声学黑洞的结构减振性能分析

4．1 声学黑洞简介

4．2 声学黑洞参数分析

4．2．1 黑洞彩状曲率对薄板振动的影响

4．2．2 黑洞尺寸对薄板振动的影响

4．2．3 阻尼材料敷设区域的大小对薄板振动的影响

4．3 含声学黑洞的车轮减振研究

4．3．1 含声学黑洞的列车车轮振动分析

4．3．2 含约束阻尼层声学黑洞的列车车轮振动分析

4．4 切割声学黑洞对车轮振动的影响

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢