轨道车辆阻尼车轮声辐射仿真与试验研究

潘光亮 郭建强 孙召进 刘宗财

摘 要：利用有限元—边界元法建立车轮的仿真计算模型，计算车轮的振动声辐射噪声，并与半消声室试验的结果进行对比分析，得到不同阻尼形式车轮的振动声辐射特性。结果表明：仿真计算和试验得到的模态固有频率相差较小。在车轮模态振型变化较大的辐板和轮辋处进行阻尼处理，均可以提高车轮的模态阻尼比，降低车轮的声辐射效果。基于有限元-边界元法计算的车轮声辐射仿真结果与试验结论趋势一致，能够很好的反映阻尼块和阻尼板对无阻尼车轮的降噪趋势。

关键词：轨道车辆;阻尼车轮;固有频率;声辐射

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.32.066

0 引言

轮轨噪声的产生，主要是由轮轨粗糙度导致轮轨之间的相对运动以及轮轨本身的弹性振动向空气中辐射噪声。车轮作为轮轨噪声的重要声源之一，很多学者对其进行了研究。2014年，韩建等通过试验手段在半消声室内开展了直型、斜曲型和双S型三种辐板形式对车轮声辐射影响的试验研究。2015年，刘玉霞等针对弹性车轮（车轮轮箍和轮心之间嵌装弹性橡胶件）通过仿真预测的手段进行了噪声辐射预测，并分析了弹性橡胶参数对振动声辐射的影响。本文通过仿真手段预测了车轮辐板和轮辋内侧分别增加阻尼板和阻尼块后车轮的声辐射降噪效果，并在半消声室内利用试验手段进行仿真结果验证。

1 阻尼降噪车轮

本文选用920mm直径车轮作为初始分析车轮，初始分析车轮辐板两侧增加阻尼板和轮辋内侧增加阻尼块两种阻尼处理结构，具体阻尼施加方式见表1。

2 有限元模型

车轮有限元模型中车轮采用实体单元，阻尼板模型中阻尼材料采用实体单元，0.5mm厚钢板采用二维壳单元模型，阻尼块车轮中全部采用实体单元建模。有限元网格模型见图1所示。车轮材料为钢，弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800kg/m3;阻尼材料，弹性模量E=6.10 MPa，泊松比μ=0.4896，密度ρ=1500kg/m3。采用Lanzos算法计算20～5000Hz频率范围内的固有频率和模态振型。

3 仿真结果分析

将有限元网格模型导入Virtual.Lab软件，计算无约束工况下的模态固有频率和模态振型;声辐射计算在Virtual.Lab中的声学边界元模块进行，为模拟实际测试工况中的弹性绳悬挂状态，限制车轮轮毂内表面网格的垂向约束。

3.1 模态分析

分别对三种车轮进行模态计算和锤击法频响函数测试，得到前10阶固有频率见表2。

由表2可见，三种车轮的固有频率仿真结果与试验接近，无阻尼车轮的固有频率相对误差小于3%，阻尼板和阻尼块车轮的个别频率相对误差为4%～5%，94%的固有频率相对误差小于3%。典型固有频率的振型见图2。从图2中可见，车轮固有频率位置的最大变形量分别为车轮辐板和轮辋位置，对此两位置进行阻尼处理，得到阻尼板车轮和阻尼块车轮。增加阻尼板和阻尼块后，车轮固有频率位置处单位激励下的振动响应值明显降低，见图3。

3.2 激励载荷

本论文采用无阻尼车轮作为研究对象，采用力锤激励获得无阻尼车轮的振动频响函数，用小球激励得到车轮的振动响应。用小球激励的响应值乘以无阻尼车轮的振动频响函数估算得到小球激励的载荷谱，见图4所示。

3.3 辐射噪声声压级分析

通过边界元法计算场点网格300～3500Hz频段的A计权声压级。计算结果可见，无阻尼车轮的辐射声压级为82.5dB（A），阻尼板车轮辐射声压级为73.2 dB（A），阻尼块车轮辐射声压级为74.7 dB（A），阻尼板和阻尼块都对车轮的辐射噪声起到了很好的抑制作用，辐射噪声频谱见图5。

4 试验验证

4.1 验证方法

在半消声室中央，按照GB/T 3767-2016布置9个噪声测点，在车轮的踏面、轮辋、辐板和轮毂上布置5个振动测点，试验布置方案见图6。使用力锤激励踏面振动测点位置，模拟轮轨接触力的施加，获得车轮的声振传递函数;使用落球从同一高度落下激励车轮，获得车轮在相同激励下的噪声辐射结果。

4.2 辐射噪声结果分析

采用小球自由下落锤击方式，获得三种车轮的辐射声压级，见表3。无阻尼车轮噪声辐射最大噪声为88dB（A），增加阻尼板和阻尼块的车轮，噪声辐射声压级分别下降9dB和8dB，其中增加阻尼板的声辐射效果较好，为79dB（A）。从3节仿真计算得到的辐射噪声结果与试验结果对比可知，仿真结果在声辐射衰减趋势上与试验结果一致，阻尼板和阻尼块的降噪效果分别为9dB（A）和8dB（A），说明建立的仿真模型和仿真计算方法可用于轨道车辆车轮的声辐射研究。仿真结果的误差分析可能有以下两点：（1）模型简化引入的计算误差;（2）模态计算方法引起的误差。

在增加阻尼板或阻尼块后，车轮受激励后噪声恢复到背景噪声水平的衰减时间均从4s降低为1s，且阻尼板更快达到背景噪声水平，见图7。

图8反映了三种车轮在小球激励下的辐射噪声频谱。与图5相比，在无固有模态频率的频段，仿真结果辐射噪声偏低，与试验结果吻合较差，这可能与仿真计算所用的模态叠加法有关，在固有频率密集的频段，仿真与试验值的吻合效果较好。

5 结论

本文利用有限元-边界元法建立车轮的仿真计算模型，利用模态叠加法计算车轮声辐射效果，并与试验结果进行了对比分析，得到如下结论：（1）本文仿真计算所选取的材料参数可以用于车轮的模態频率计算，94%的固有频率相对误差小于3%;增加阻尼板和阻尼块后，均能改变车轮的固有频率，提高模态阻尼比;（2）基于模态叠加法计算的车轮声辐射效果较试验结果低5～6dB，主要原因为仿真计算结果对模态频率的依赖度较高，在固有频率丰富的频段辐射噪声值吻合较好，在固有频率较少的中低频段，仿真计算结果辐射效果较差;（3）相较于无阻尼车轮，阻尼板和阻尼块均能很好的抑制车轮的声辐射效果。

参考文献

[1]韩健，王瑞乾，王谛，等.径向激励下辐板形式对车轮振动声辐射影响仿真和试验研究[J].机械工程学报，2014，50（10）：103111.

[2]刘玉霞，韩健.弹性车轮减振降噪特性分析[J].铁道学报，2015，37（6）：4853.

[3]全国声学标准化技术委员会，GB/T 3767-2016声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 反射面上方近似自由场的工程法[S].北京：中国标准出版社，2016.