高铁车厢分层复合材料声学特性及优化设计研究

摘要

近年来，我国的高速列车得到了迅速地发展，高速列车的建设已经上升为国家战略，它的发展与进步是综合国力提升的直接证明，同时也带动着众多配套产业的发展和相关基础学科研究的深入。随着高速列车设计时速的不断提升，车内的噪声与振动问题逐渐凸显，车厢中的噪声影响着司乘人员的乘车舒适性，列车机械设备的摩擦振动影响了其使用寿命，严重的会危及行车安全。目前，根据相关高速列车实车运行噪声测试的结果，我国高速列车车厢内某些区域的噪声水平已经影响到乘客的舒适度，所以有必要采取合理有效地措施来控制车内噪声。车厢内部噪声的核心问题是如何抑制车外噪声向车内传递，最有效的方法是通过对列车车内的声学材料及结构进行优化设计，获得良好的吸隔声性能。
　　在国家自然科学基金项目“基于柔性变胞机构的精密设备多维振动的主动控制研究”(51275275)、山东省优秀中青年科学家奖励基金项目“基于柔性变胞机构的机载精密设备的振动主动控制研究”(BS2010HZ010)以及国家863计划项目“高速铁路减振降噪关键技术”（2011AA11A103）的资助下，本文针对高速列车车厢内的噪声特性，对车内的材料及结构进行了声学优化设计，获得了隔声性能良好的分层复合材料与结构，在降低车内噪声水平的同时还减轻了车内材料的重量，实现了轻量化和低能耗的绿色设计要求。
　　第一，本文结合经典隔声理论解和实验测试结果对弹性薄板的数值仿真模型进行了验证，保证了仿真计算隔声量的技术路线的正确性，为后文预测分层复合材料隔声量做了技术上的准备;介绍了有限元—Biot—Allard理论，并通过实验测试修正了多孔吸声材料的等效模型。
　　第二，将列车车体铝型材结构和车厢内壁板进行适当简化，通过传递矩阵理论以及有限元模型研究了多孔吸声材料和空气层在整体分层复合材料中的作用，研究发现合理地分配多孔材料和空气层有利于提高隔声量;通过大量的隔声测试，优选出了隔声性能良好的分层复合材料组合形式，作为后面进一步优化设计的基础。
　　第三，结合遗传优化算法对实验优选出的分层复合材料各层厚度进行了最优化设计，分别得到分层复合材料在车内噪声突出频点及频段内的最优化设计方案，有效提高分层复合材料隔声性能的同时也降低了材料的整体重量。
　　第四，基于实车结构及材料对分层复合材料的隔声性能进行了试验研究。首先在标准实验室里基于实车铝型材结构和车厢内壁板，对多孔材料以及空气层在复合结构中的隔声作用进行了讨论，并初步研究了不同面密度的顶板与分层复合材料组合后的隔声特性;为了更加真实地反映分层复合材料的隔声性能，在高速列车车厢受电弓模拟台架上进行了测试，验证了所设计的分层复合材料具有良好的隔声效果，同时相比实车工况降低了整体结构的质量，实现了轻量化、低能耗和高效隔声的设计要求。
　　本文结合高速列车车厢内部噪声特性将空气层与多孔吸声材料进行优化组合并设计出隔声性能良好的分层复合隔声材料，该分层复合材料具有轻量化、低能耗和高效隔声的优势，用于现有高速列车车厢内部的减振降噪不仅可以实现“安静”高铁的目标，还能够有效控制生产成本，具有可观的经济效应，应用前景广阔。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 高铁噪声源及其频谱特性

1．2．1 高铁噪声源概述

1．2．2 高铁噪声源频谱特性

1．3 分层复合材料声学特性研究现状

1．3．1 国外研究进展

1．3．2 国内研究进展

1．4 本课题的主要工作

第2章 单层材料吸隔声声学特性研究

2．1 薄板隔声特性研究

2．1．1 薄板隔声特性的理论研究

2．1．2 薄板隔声特性的实验研究

2．1．3 薄板隔声特性的仿真研究

2．2 多孔材料吸声特性研究

2．2．1 多孔材料的有限元模型

2．2．2 多孔材料吸声特性的实验研究

2．2．3 多孔材料吸声特性的仿真研究

2．3 本章小结

第3章 分层复合材料隔声特性研究

3．1 基于传递矩阵法的分层复合材料隔声特性研究

3．1．1 传递矩阵法理论模型

3．1．2 典型分层复合材料隔声特性分析

3．2 分层复合材料隔声特性仿真研究

3．3 分层复合材料隔声性能的实验研究及优选

3．3．1 测试方法及环境

3．3．2 实验结果分析及复合结构优选

3．4 本章小结

第4章 分层复合材料声学优化设计

4．1 遗传算法简介及优化模型建立

4．1．1 遗传算法简介

4．1．2 优化模型建立

4．2 特定频率点上分层复合材料隔声量优化

4．2．1 多孔材料层厚度优化

4．2．2 空气层厚度优化

4．2．3 分层复合材料优选分析

4．3 基于高速列车受电弓区域特定隔声频段分层复合材料优化

4．3．1 多孔材料层厚度优化

4．3．2 空气层厚度优化

4．3．3 多孔材料层与空气层厚度联合优化

4．4 优化效果分析

4．5 本章小结

第5章 基于高速列车结构及材料的隔声特性试验研究

5．1 隔声实验室测试分析

5．1．1 多孔材料及空气层对分层复合材料隔声量的影响

5．1．2 车厢内壁板的隔声特性试验研究

5．2 高铁车厢受电弓区域模拟平台测试分析

5．2．1 高铁车厢受电弓区域模拟平台简介

5．2．2 测试内容及工况

5．2．3 测试结果及分析

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及主要科研成果