张克姝

(南车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥高级工程师)

城市轨道交通列车在运行过程中的振动及其所引起的噪声问题严重影响乘客的舒适度［1－3］，对这一问题的研究目前已显得尤为迫切。本文针对包含内装结构的地铁车辆的声－固耦合进行研究，根据车体及内装结构CAD图纸，建立车体三维实体模型和内装三维模型，通过有限元软件、声学仿真软件，对含内装结构的车体与不带内装结构的车体进行振动响应分析和噪声预测，为改善车体和内装结构以获得良好的车内声学环境提供理论依据。

1 车体有限元模型

1.1 无内装地铁A型车模型

无内装地铁A型车的车体由底架、侧墙、端墙、车顶等部件组成，为铝合金型材焊接结构，底架为无中梁结构。车辆承载结构有限元模型如图1所示。

图1 车辆承载结构有限元模型

车窗所用玻璃材料为脆性材料，在实际建模中根据机械工程材料手册上工程玻璃的相关参数进行模拟。在车窗玻璃的有限元模型建模中，忽略车窗模型与周边窗框的橡胶等弹性连接件。地铁车辆车窗玻璃一般为双层结构，中间有塑料薄膜夹层。塑料薄膜一般不起结构承载作用，因此，针对车窗玻璃的建模忽略塑料薄膜材料，分别建立不同厚度的双层玻璃窗模型，并应避免共振。

在地铁车辆车门结构建模过程中，对整个车门进行简化，忽略车门中复杂的锁闭装置，保留门框、门板等主要结构承载件。根据实际车辆的车下设备吊挂位置及空调机组的位置，采用集中质量点单元对空调机组及车下设备进行模拟，通过刚性连接单元将质量点连接到车身上。添加车下设备及空调机组后的整车有限元模型如图2所示。

图2 车体加吊挂后的有限元模型

1.2 含内装的地铁A型车模型

1.2.1 车顶骨架模块建模

车顶骨架结构采用模块化设计，便于整车模块化拼装。每个车顶骨架模块包含3个主结构，由上到下依次为风道、中顶板及扶手。图3为划分好网格的单个车顶骨架模块效果图。

图3 车顶骨架模块效果图

1.2.2 浮置地板建模

为简化计算，针对蜂窝地板进行研究，将其等效为各向同性的具有一定厚度的板材［5］。浮置地板形状与车体底板形状相同。浮置地板与车体底板之间通过线性弹簧单元进行连接。弹簧单元的位置根据原橡胶垫的间距布置，刚度根据车辆厂提供的橡胶垫测试三向刚度结果。浮置地板的框架采用等截面梁单元进行建模。最后效果如图4所示。

图4 浮置地板模型效果图

1.2.3 含内装的地铁A型车有限元模型

基于图3、图4的模块，将车辆各内装模块进行装配。装配完成的车辆内装模型包含4个风道、4套扶手、8块中顶板、1块浮置地板和若干吊座。最后内装车辆模型包含1 833 058个单元、1 184 588个节点。图5为车体内装模型轴视图。图6为含内装的车辆车体有限元模型。

图5 车体内装模型轴视图

图6 含内装的车辆车体有限元模型

1.3 无内装的地铁A型车声学模型

车辆声学模型是根据车辆的内室空腔进行建模。若采用有限元方法计算声学，则需要针对形成的声腔密闭空间进行实体网格划分，形成实体模型。实体单元即为声音传播的材料，一般车内声腔中的声音传播介质为空气。

依据无内装建模车辆结构的有限元模型，提取其模型的车体内表面网格，添加必要的单元使该边界网格形成密闭的空腔。针对该车体内室空腔网格形成的空间，采用实体单元进行网格划分，形成声学有限元网格。最后生成的车辆声学有限元模型包含165 775个节点、741 232个单元。图7为无内装的地铁A型车内室空腔的有限元模型。

图7 无内装的车内空腔声学有限元模型

1.4 含内装的地铁A型车声学模型

以含内装的车辆结构有限元模型为基础，提取车辆有限元模型的内室空腔边界，并建立车体内室空腔几何实体。划分完成的车体空腔声学有限元模型单元边长为60 mm，包含327 628个单元、348 229个节点。图8为划分完成的含内装的车内空腔声学有限元模型。

图8 含内装的车内空腔声学有限元模型

2 声学激励

为了计算车体壁板在模拟运行时振动激发的噪声，需要将车体结构振动作为噪声计算边界条件。本文以车体板件频率响应位移振动结果作为声学激励，计算车内噪声分布，研究车体振动与车内噪声的关系。

2.1 地铁A型车多体动力学分析

此地铁A型车多体动力学分析所用的软件为SIMPACK软件。为了得到车体板件的频率响应位移振动结果，需要在SIMPACK软件中建立地铁A型车多体动力学模型，研究车辆低频振动特性，计算获得模拟运行时车体所受载荷的频域幅值和相位。图9为所建立的SIMAPCK模型示意图。

图9 SIMAPCK模型示意图

分析所用的轨道谱为美国六级谱。根据车体与转向架之间的连接关系，输出二系悬挂、二系减振器、牵引拉杆等各个接触点的时域作用力信号。采用汉宁窗对这些时域数据滤波，并进行快速傅里叶变换。

车辆动力学仿真结果表明:在模拟运行过程中，车体振动的能量集中在低频区域，振动以1 Hz左右的刚体振动为主，传递至车身的25 Hz以上激振力很小;转向架各部件传递至车体的作用力大小相差很大;各作用力在频域上的幅值分布不相同，减振器、牵引拉杆的作用力频率范围较宽，空气弹簧的作用力频率范围较小。

2.2 地铁A型车频率响应分析

将上述分析获得的各作用力频域幅值及频域相位作为车体频域激励载荷加载在相应的加载点，计算车体在模拟运行时的频率响应。图10为车体频率响应分析的加载及约束示意图，图10中实体三角为模型约束位置，空心三角为载荷加载位置。

图10 频率响应边界条件示意图

根据车辆的频率响应结果可知:激振力达到25 Hz以后，车体各个部位振动形式各不相同，幅值和相位上也存在很大差异，其中以车顶、侧墙的振动最为剧烈，车体地板振动形式趋向于大面积小幅度振动;随着激励频率的上升，车体的位移响应呈现小区域高密度的特性，并随频率提高逐渐加剧。将位移结果记录，为声学仿真做好准备。图11为激振力为55 Hz和60 Hz时的车体频率响应位移云图。

11 激振力为55 Hz和60 Hz时的车体频率响应位移云图

3 地铁A型车车内噪声分析

3.1 车内噪声分析边界条件及场点布置

车内噪声分析旨在研究车体在模拟运行过程中结构壁板振动所激发的结构噪声，分析所用模型为上述建立的车内声学空腔有限元模型。由以上地铁A型车频率响应分析得到了真实模拟车辆在美国六级轨道谱上运行时的结构频率响应位移结果。将该车辆结构频率响应位移结果作为声学计算的外界激励加载到模型上计算车内噪声。此车内噪声计算不考虑轮轨噪声和气动噪声，车内空腔边界不做任何吸声处理。

在声学有限元计算中，场点相当于声学传感器。通过场点的布置可以有效地记录车内声压的分布及其随频率的变化。为了更好地观测车内噪声的分布，在车内布置ISO标准场点。根据ISO 3381《各种有轨车辆噪声测量》和ISO 3095《铁道车辆噪声测量》，在车体的地板上方设置5个离散的场点。图12为ISO标准场点的位置图。

图12 车内声学场点示意图

3.2 车内ISO标准场点噪声结果对比分析

表1为无内装车辆与含内装车辆车内5个ISO标准场点的总声压级对比。无内装建模车辆的总声压级远大于含内装车辆。从无计权总声压级来看，无内装建模车辆与含内装车辆总声压级最小值都出现在3号场点，车体两端的1号和5号场点声压较大。经过A计权后，无内装车辆和含内装车辆最小声压点都出现在2号场点，车体两端1号和5号声压较大。两个模型的ISO标准场点声压频率特点相似，3号场点较其他场点高频成分更多，2号场点低频成分较多。两个模型的ISO标准场点声压大小顺序一致，在纵向上都存在一端较大的不对称现象。

表1 车辆内ISO标准场点总声压级对比

图13至图17为无内装车辆和含内装车辆各个ISO标准场点的A计权声压对比图。

由图13～17可知:在低频段，参考同一场点的声压曲线峰值频率相似，含内装车辆的声压数值较小;在高频段，两个模型的场点声压区别较大，无内装建模车辆的峰值频率恰好为含内装车辆的谷值频率;无内装建模的车辆在 60 Hz、120 Hz、160 Hz、225 Hz处出现明显峰值，其余频率的声压数值相差较大，总声压级取决于主要峰值点;含内装车辆在整个频率范围内，声压分布较平均，峰值较密集，各个峰值的数值相差较小;含内装车辆车内噪声各个频率的能量分布较均匀，总声压级取决于整个频率范围内多数声压合成。

图13 地铁A型车1号ISO标准场点A计权声压对比图

图14 地铁A型车2号ISO标准场点A计权声压对比图

图15 地铁A型车3号ISO标准场点A计权声压对比图

图16 地铁A型车4号ISO标准场点A计权声压对比图

图17 地铁A型车5号ISO标准场点A计权声压对比图

4 地铁A型车声传递向量的分析及对比

声传递向量(VAT)是系统的一个固有属性，是结构法线方向与场点声压之间的一种线性关系。在小压力扰动情况下，可以认为声学方程近线性的，因此可以在输入(机械结构表面处的振动)和输出(声场中某点处的声压)之间建立一种线性关系。如果将结构表面离散成有限个单元，这样在声场中某点处的声压为:

式中:

VAT——声传递向量;

νn——结构表面法线方向上的振动速度;

ω——角频率。

通过声传递向量，将声场中某点处的声压与模型网格的振动速度之间建立联系，VAT的物理意义可以理解为单元或节点在特定頻率下的单位速度在场点上引起的声压值［5］。

根据图13～17中5个场点的声压－频率曲线图，确定各个场点声压较大的频率。针对各个场点在高声压频率点处的声学传递函数进行分析，研究车体各个部位振动相对于场点声压的声学传递向量关系。图18与图19为高声压频率下的车体VAT云图。

图18 含内装车辆的车体V AT云图

对比无内装建模车辆的VAT声压云图，两个模型在低频都存在云图的偏向性，即云图较大值偏于场点所在端。而且VAT声压分布与车辆结构有关，无内装建模车辆由于结构在纵向上的不对称，相同频率下参考对称位置的场点的VAT云图差异较大。含内装车辆在结构上沿纵向和横向中心面对称，同频率下参考对称位置的场点的VAT云图完全相同。再次验证了车体的声学传递函数与车内空腔形状关系密切。

图19 无内装车辆的车体V AT云图

5 结语

通过对无内装车辆与含内装车辆车内噪声分析及对比表明:①无内装车辆相对含内装车辆声压更大，二者在低频时声压曲线走势相似，幅值存在差异;高频时二者的声压曲线差别较大。②无内装车辆与含内装车辆VAT分析表明，相同频率时无内装车不同场点的VAT云图差异较大，含内装车辆相同频率下不同场点的VAT云图基本相似。

［1］ 张晓排.我国铁路客车车内降噪技术研究［D］.大连:大连交通大学，2002.

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［4］ 曾仲谋，肖守讷.城市轨道车辆铝蜂窝地板的等效与应用［J］.电力机车与城轨车辆，2003，26(4):41.

［5］ 李增刚.Virtual lab Acoustics声学仿真计算高级应用实例［M］.北京:国防工业出版社，2010.