高速铁路减载式声屏障气动载荷数值模拟及结构承载分析

摘要

随着我国铁路建设飞速发展，列车运行速度的提高，对周围环境造成越来越严重的噪声污染。为建设环境友好的绿色铁路，建设声屏障是降低道路噪声、保护居民生活环境的常用措施。列车高速行驶时产生的脉动气压力会对声屏障安全性和可靠性产生不利影响，随着列车运行速度不断提高，声屏障设计需要综合考虑降噪能力、安全性、稳定性和经济美观等多项越来越严苛的要求。减载式声屏障结构在传统声屏障结构基础上开口，空气能够从减载式声屏障开口当中流过，在保证满足降噪要求的前提下，降低了声屏障所受气动载荷的大小。倒V型减载式声屏障在大西（大同至西安）高铁联调联试路段已经投入使用。因此分析列车高速驶过时对倒V型减载式声屏障产生的气动载荷的空间、时间分布规律，在此基础上分析倒V型减载式声屏障结构承载特性，对倒V型减载式声屏障相对于传统非减载式声屏障的减载效果给出科学评价具有重要意义。
　　论文首先以倒V型减载式声屏障、非减载式声屏障为研究对象，建立声屏障模型，采用流体力学专业软件Fluent对高速列车通过声屏障过程进行数值仿真研究，通过仿真分析，得到两种声屏障表面脉动压力时程、空间分布特性，对比分析列车高速驶过减载式声屏障、非减载式声屏障两种声屏障的不同时刻，两种声屏障周围流场变化差异、所受脉动压力差异;对比分析两种声屏障整体和每块单元板在列车驶过的不同时刻受到的合力与合力矩变化情况，得到合力与合力矩的减载率;最后通过大西高铁声屏障减载特性试验得到的数据结果对流体动力学数值模拟得到的结果变化趋势，波动幅值进行验证，保证数值模拟结果的可靠性。
　　其次，在有限元分析软件ANSYS中建立倒V型减载式声屏障、非减载式声屏障固体结构分析模型，将流体动力学分析得到的减载式声屏障、非减载式声屏障两种声屏障所受气动载荷导入，对两种声屏障进行结构承载分析。对比研究在列车驶过声屏障的全过程，两种声屏障钢立柱根部应变的变化规律。分析声屏障在受到最大推力、最大吸力时，两种声屏障钢立柱的应力应变分布。对比分析两种声屏障铡立柱根部所受应变差异，对减载式声屏障减载率做出评价。最后通过大西高铁声屏障减载特性试验得到的数据结果对固体结构分析数值模拟得到的结果变化趋势，波动幅值进行验证，保证数值模拟结果的可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 高速铁路声屏障脉动压力及结构特性研究现状

1．2．2 流固耦合研究现状

1．3 研究意义及内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

2 流场数值模拟计算建模分析

2．1 数值计算方法

2．1．1 计算流体力学控制方程

2．1．2 湍流流场的数值模拟方法与湍流模型

2．2 计算模型

2．2．1 几何模型的建立

2．2．2 计算区域的确定

2．3 网格的划分及控制

2．4 边界条件的确定

2．5 本章小结

3 声屏障气动载荷仿真分析及试验验证

3．1 非减载式声屏障气动载荷数值仿真分析

3．1．1 列车以350km／h驶过时脉动压力分析

3．1．2 列车以不同时速驶过时脉动压力分析

3．1．3 声屏障内侧与外侧脉动压力对比

3．2 减载式声屏障气动载荷数值仿真分析

3．2．1 列车以350km／h驶过时脉动压力分析

3．2．2 列车以不同速度驶过时脉动压力分析

3．2．3 声屏障内侧与外侧脉动压力对比

3．3 声屏障气动载荷数值分析结果验证

3．3．1 大西高铁声屏障减载特性试验概况

3．3．2 列车以320km／h时速驶过非减载式声屏障时脉动压力结果验证

3．3．3 列车以不同时速驶过非减载式声屏障时脉动压力结果验证

3．3．4 列车以320km／h时速驶过减载式声屏障时脉动压力结果验证

3．3．5 列车以不同时速驶过减载式声屏障时脉动压力结果验证

3．4 两种声屏障对比分析

3．4．1 两种声屏障流场对比分析

3．4．2 两种声屏障所受压力峰值、谷值对比差别

3．4．3 用单个测点压力来评价减载率的可行性讨论

3．4．4 两种声屏障整体合力、合力矩对比及减载率分析

3．4．5 两种声屏障每块单元板合力对比及减载率分析

3．4．6 减载式声屏障每个倒V型结构合力分析

3．5 本章小结

4 声屏障结构承载仿真及试验验证

4．1 固体分析模型的建立

4．1．1 声屏障几何模型

4．1．2 单元类型及材料模型

4．1．3 确定声屏障结构模型长度

4．1．4 网格划分及边界条件的确定

4．2 声屏障结构承载仿真分析

4．2．1 列车以350km／h驶过时非减载式声屏障结构承载仿真分析

4．2．2 列车以350krn／h驶过时减载式声屏障结构承载仿真分析

4．3 声屏障结构承载仿真结果验证

4．3．1 列车以不同速度驶过时非减载式声屏障结构承载仿真结果验证

4．3．2 列车以不同速度驶过时减载式声屏障结构承载仿真结果验证

4．4 减载率分析

4．5 本章小结

5 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 工作展望

参考文献

作者简历

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