轮轨曲线尖叫噪声的有限元研究

摘要

随着高速铁路和城市轨道交通的发展，我国迎来了铁路行业发展的新纪元。但与此同时，出现了运行质量下降、线路恶化、噪声增加等问题。尤其，轮轨噪声的增加对乘客和周围居民造成严重的影响，减少和控制轮轨噪声的研究对铁路行业的发展具有十分重要的意义。 通过研究曲线尖叫噪声的机理来减少或控制轮轨曲线尖叫噪声对研究者和工程师们说是一个活跃的课题。在文献中，对铁路曲线噪声的研究手段十分有限。本文根据陈光雄教授提出的曲线噪声预测方法，运用有限元方法对轮轨系统进行了轮轨系统的运动稳定性分析，发展了轮轨曲线尖叫噪声的分析技术，大大提高了对轮轨曲线尖叫噪声的认识。 论文首先建立了包括车轮、钢轨和钢轨支撑弹簧的有限元动力学模型。根据车轮通过小半经曲线时横向蠕滑力饱和的实际情况，假设横向蠕滑力等于摩擦系数乘以法向力，通过摩擦力耦合建立车轮和钢轨耦合的动力学方程。对此动力学方程进行稳定性分析，得出耦合系统动力学特征方程的复特征值。根据是否存在实部为正的复特征值，从而判断系统是否有发生曲线尖叫噪声的趋势。计算结果显示，当轮轨摩擦系数比较大时，系统存在实部为正的复特征值，说明此时轮轨系统存在发生曲线尖叫噪声的可能性。论文还探讨了摩擦系数、支撑弹簧刚度、载荷、约束条件等参数变化对轮轨曲线尖叫噪声的影响。仿真计算结果表明： (1)本文用有限元方法分析了由车轮、钢轨和钢轨支撑弹簧组成的轮轨系统曲线噪声问题，计算预测到的曲线噪声频率与线路实测的噪声频率在同一个范围，说明本文的方法可用于曲线尖叫噪声的预测分析。 (2)摩擦系数对轮轨曲线尖叫噪声的产生有重要的影响，当摩擦系数越大时，出现复特征值的正实部越大，说明产生曲线尖叫噪声的倾向就越大。 (3)轮轨曲线尖叫噪声的产生具有模念耦合特点，即在复特征值实部开始出现正值的时候，与该特征值对应的模态频率曲线重合在一起，即发生了模态耦合现象。 (4)轨道结构参数对轮轨曲线尖叫的产生有一定的影响，轨道整体刚度不是越大越好，也不是越小越好，对于不同的轮轨系统对应不同的轨道刚度，选择合理的轨道刚度能够很好地控制曲线尖叫噪声的产生。 (5)载荷对轮轨曲线尖叫噪声的影响较小，计算结果显示不同载荷下出现的复特征值正实部相差不大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1轮轨噪声研究的意义

1.2轮轨噪声概述

1.3轮轨曲线尖叫噪声研究的历史和现状

1.3.1研究现状分析

1.3.2轮轨曲线尖叫噪声研究存在的问题

1.3.3尖叫噪声机理研究

1.3.4轮轨曲线尖叫噪声的试验研究

1.4动力学系统稳定性的有限元复特征分析方法

1.4.1有限元复特征分析方法的发展

1.4.2有限元复特征分析的应用

1.4.3有限元复特征分析的局限性

1.5本论文的主要内容

第二章轮轨曲线尖叫噪声的有限元分析方法

2.1有限元分析方法的原理

2.1.1有限元方法的发展和应用

2.1.2有限元CAE仿真的优势

2.1.3有限元动力分析方法

2.2有限元软件ABAQUS简介

2.2.1 ABAQUS有限元软件的特点和功能

2.2.2 ABAQUS主要模块

2.2.3 ABAQUS分析模型的组成

2.2.4 ABAQUS复特征值分析

2.3 轮轨曲线尖叫噪声的复特征值分析

第三章 轮轨系统的有限元模型

3.1 车轮、钢轨和钢轨支撑弹簧的实体模型

3.1.1小曲线半径时的轮轨接触模型

3.1.2车轮、钢轨和支撑弹簧的实体模型

3.2车轮、钢轨和支撑弹簧的有限元模型

3.2.1定义材料属性

3.2.2划分网格

3.2.3定义约束和载荷

3.2.4接触情况

3.2.5轨道支撑弹簧的定义

3.2.6 INP文件的修改

3.3分析模型正确性的验证

3.4本章小结

第四章摩擦系数对轮轨曲线尖叫噪声的影响

4.1摩擦系数的取值

4.2结果及讨论

4.2.1摩擦系数对曲线尖叫噪声发生趋势的影响

4.2.2模态耦合分析

4.3基于摩擦系数的尖叫噪声控制

4.4本章小结

第五章轨道支撑刚度对轮轨曲线尖叫噪声的影响

5.1轨道整体刚度对轮轨曲线尖叫噪声的影响

5.2轨道垂向刚度对轮轨曲线尖叫噪声的影响

5.3轨道横向刚度对轮轨曲线尖叫噪声的影响

5.4本章小结

第六章载荷对轮轨曲线尖叫噪声的影响

6.1轴重的选择

6.2不同轴重对轮轨曲线尖叫噪声产生趋势的影响

6.3本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文