沈旭奎

摘  要：地铁车体的低噪声设计对降低车内低频噪声具有重要意义。为获得车体结构的优化设计，分别建立了铝合金地铁车体的有限元模型和声固耦合模型。选取车体与转向架的连接点作为激励点，模拟预测了声场观测平面内的声压分布和观测点的声压级谱。通过对峰值频率处声贡献的分析，得出贡献最大的面板。最后，根据贡献分析结果，对顶板和局部结构进行了改进，使145Hz和195Hz处的声压分别降低了9.41dB（A）和8.75dB（A）。因此，本文将主要探讨铝合金地铁噪声的预测与控制技术。

关键词：铝合金;地铁车;噪声预测;控制技术;

为了达到轻量化的目的，人们开始采用大型空心铝型材制造地铁车结构，这样会降低地铁的刚度，从而影响声学特性。结构振动引起的车内噪声主要集中在低频段，而传统的吸声降噪措施效果甚微，因此结构的低噪声设计成为最实用的解决方案。目前，控制车内噪声的常用方法是在生产完成后，对其车内噪声进行测量，然后采取降噪措施，这增加了设计周期，也提高了设计成本。因此，在设计阶段对车内噪声进行预测和优化是十分必要的。

1计算模型

1.1车体有限元模型

枕梁和缓冲梁为钢结构，整个车体由不同规格的空心挤压铝型材制成。形成结构的空心挤压铝型材壁厚为（2.5-6）mm，属于空间薄壳零件，因此可以选择符合薄壳力学特性的单元来模拟铝型材结构。考虑到计算精度、计算速度和网格质量，选定的單元基本尺寸为80mm。车身的焊缝和铆接连接可以用刚性连接来模拟，假设门窗玻璃和车窗之间的连接是刚性连接。铝合金的弹性模量为（6.9x10）Pa，泊松比为0.33，密度为2700kg/m3。钢结构的弹性模量为（2.1x10）Pa，泊松比为0.3，密度为7850kg/ m3。门窗玻璃采用工程玻璃，弹性模量（7.2x10）Pa，泊松比0.22，密度2600kg/ m3。

1.2车体声固耦合模型

选取声腔边界作为耦合边界建立车体的声固耦合模型。车体的声固耦合模型，如图所示。

二、计算结果与分析

2.1车内声场预测

在预测车体振动响应时，应根据车辆的实际运行工况，测量轨道的激励。然而，由于实验条件的限制，在分析简谐响应时，对每个激励点分别施加了垂直、纵向和水平三个单位的简谐力。激振力作用于转向架与车体之间的力。在四个连接点处，频率范围为（20-200）Hz，频率增量步长为5 Hz。由于车体可以看作是由转向架上的空气弹簧支撑，因此进行了谐响应分析，可视为自由约束。因此可以看出对车内声场进行适当的预测也是非常重要的一个方面，这对于整体噪声的控制来说也是非常重要的一个方面。

将车体谐波响应分析结果作为声腔边界元网格模型的边界条件，即采用弱耦合方法完成声场计算。根据GB14892《城市轨道交通列车噪声限值及测量方法》，平面1.2米处，沿纵轴依次选择5个观测点A（C点为纵轴中点）），间隔4米，测量点的计算结果曲线如上图所示。结果表明，在频率范围内有较大的峰值，在（145～195）Hz的频率范围内有几个峰值;在实际中，这些频率点可能会导致车体与噪声共振之间的发生，从而导致较大的噪声。选择距地面1.2m的平面、各观测点所在的横截面、客舱前后的横截面作为观测平面，计算145Hz和195Hz的分布云图。由于客室声腔对称，水平观测面声压基本对称。

2.2板块声学贡献度分析

按照铝合金车体的各个组成模块的所处区域，将声学边界元网格划分为46个区域，下图所示，图中括号内的编号为括号前所标面板的对称面板。各面板分别为：12个车窗面板.10个车门面板、12个侧墙组件面板.3个车顶面板、2个空调面板、5个地板面板2个端墙面板。

为了确定具体的修正区域，总结了各频域声压级曲线峰值频率处的声贡献结果。从贡献分析的结果可以看出，17#中板的刚度与23#中板的刚度不同，因此有必要对这两个方面进行修改，以提高这两个部分的刚度。整个研究全面实现了铝合金车体低频结构噪声的预测与分析，补充了我国现有的铁路车辆噪声研究成果，拓展了有限元与极限元相结合预测车辆内部噪声的应用领域。所有的研究都具有创新性和前瞻性，必将对降低铝合金地铁车体内噪声和车体低噪声结构起到引领作用。通过对铝合金地铁车体结构特征的提取，建立了车体结构的有限元模型，并进行了静、动态性能计算，验证了模型的准确性。建立了车体内部声场模型和车体结构与内部声场的耦合模型。通过研究发现在实际操作的过程当中这种方式是切实可行的，但是为了能够让实际应用的效果变得更加良好，这就需要相关的工作人员能够不断地加强这方面的研究，积极的采取相应的措施。

结束语

总而言之，对地铁车内的噪声预测和控制是非常重要的一个方面，优化铝合金车体断面，不仅能够有效地降低成本问题，更重要的是能够让人们的生活环境变得更加良好，从而通过这样的方式让噪声对环境的污染降到最低。其次最为重要的一点就是在计算的过程当中所用到的模型和数据一定要准确，只有这样才能够保证整体的工作始终处于一个良好的运行状态当中，更好的推动噪声预测和控制技术的模拟和应用，促进我国轨道车辆行业噪声研究技术的快速发展。

参考文献

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