高速铁路轮轨、气动噪声及声屏障隔声性能仿真研究

摘要

本文以高速铁路噪声为研究对象，综合应用有限元和边界元方法对轮轨的振动及声辐射特性进行研究，以轮轨相互作用理论和声辐射理论为基础建立轮轨滚动噪声预测模型，对轮轨噪声的影响因素进行分析，采用流体力学软件Fluent对高速列车气动噪声进行数值仿真，采用声学软件SYSNOISE对声屏障的隔声性能进行研究。
　　采用有限元软件ANSYS分析车轮和钢轨的振动模态，在此基础上对轮轨进行谐响应分析，将两者表面振动速度导入边界元软件SYSNOISE，得到轮轨的辐射声场。
　　对轮轨表面粗糙度谱的理论估计和现场实测方法进行了探讨，在对钢轨垂向和横向阻抗、车轮径向和轴向阻抗分析的基础上，采用Hertz接触理论考虑轮轨之间的耦合作用，推导轮轨的垂向和横向振动公式，结合振动噪声辐射理论，建立高速铁路轮轨滚动噪声预测模型，对不同工况下的高速铁路轮轨滚动噪声进行仿真计算，并与京沪高速铁路试验结果进行对比分析。
　　利用建立的轮轨滚动噪声预测模型，对高速铁路轮轨滚动噪声的影响因素进行分析，包括高速列车运行速度、列车轴数、受声点距轨道中心线距离、车轮参数（车轮直径、辐板厚度）、钢轨参数等。
　　针对高速铁路气动噪声的问题，运用空气动力学和声学的相关理论方法，结合高速列车运行的实际边界条件，建立高速列车远场气动噪声的理论预测公式，通过理论分析和数值计算，分析高速列车气动噪声的产生机理。利用Fluent流体分析软件计算高速列车外部流场，获得较为精确的车身表面脉动压力，采用宽频带噪声模型计算高速列车表面噪声源，最后利用基于Lighthill方程的声模拟法求解高速列车远场气动噪声，并与京沪高速铁路试验结果进行对比分析。
　　在声屏障隔声性能评价理论的基础上，采用声学软件SYSNOISE建立了声屏障的二维分析模型，在SYSNOISE中定义柱面波声源来代替线声源，得到有声屏障的条件下的声场分布，进一步分析声源频谱特性及声屏障的结构形式等对其隔声性能的影响。