基于有限元法的轮轨啸叫噪声的研究开题报告

全文总字数：6370字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.目的与意义（含国内外的研究现状分析）

1.1目的与意义

当今铁路发展的趋势就是实现列车的快速运行。随着经济以及技术的不断进步，铁路事业在世界范围内都在蒸蒸日上。自从日本的东海道新干线作为世界上第一条高速铁路问世以后，美国、韩国以及欧洲的一些国家都开始了国内关于高速铁路的建设。铁路列车作为一种公共交通工具具有运行速度快，承载能力强，能够极大地缓解当地交通运输压力。

因而作为一个人口大国，铁路在中国的运输事业中起到了不可替代的作用。虽然我国的铁路事业建设开始时间落后于其他国家，但是由于国家的重视，发展十分迅速。2003年10月，秦沈客运专线的开通标志着我国高速铁路事业正式拉开了序幕。经过10年左右的发展，我国的铁路事业突飞猛进，至2014年，我国高速铁路运行里程数跃居世界第一^[1]。18年年底，中国高速铁路营业里程已经达到2.9万公里，约占世界总运营里程的2/3。根据《中长期铁路网规划》（简称《规划》），预计到2025年，我国铁路里程达到17.5万公里左右，高速铁路达到3.8万公里，到2030年基本实现区域间甚至是县域间的互联互通。规划描述了将来“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。

然而，伴随着铁路列车运行速度过高随之而来的是列车在运行对环境所产生的影响，其中列车高速运行过程中所产生的噪声污染问题尤为严重^[2]。随着人们的生活水平越来越高对噪声的容忍度日益降低，从而引起许多社会问题。在国外，有些国家在铁路噪声后期治理中造成了大量人力、物力的浪费，甚至在铁路建设规划时遭到民众的抵制 ^[3-6]。在国内，随着铁路事业的发展，铁路覆盖的区域不断扩大，并且大多数在建铁路位于人口稠密区，因此列车在高速运行过程中所产生的噪声必然会对周围环境以及居民的正常生活造成不良影响。故而，由列车高速运行过程中所产生的噪声问题已经成为了铁路快速发展的制约因素，成为了建造与设计高速铁路必须解决的问题。

在高速铁路列车运行过程中按照噪声产生位置的不同，可以分为轮轨噪声、气动噪声、集电系统噪声和结构噪声 ^[7,8]，其中列车在运行过程中由于轮轨相互作用所产生的噪声称为轮轨噪声。轮轨噪声在铁路噪声的组成中占了很大的比例。根据以往的测试结果，上述几种噪声源的强度及其占总声级的比重如下表1.1所示 ^[9]。

表1.1不同噪声源的强度及声压级的比重

由表可以得到，当列车运行速度低于250Km/h时，轮轨噪声在铁路运行所产生的噪声中占比最高。因此降低轮轨噪声能够有效的降低铁路噪声，这对控制铁路噪声以及提高铁路附近居民的生活水平有比较重要的意义。轮轨噪声可以分为轮轨滚动噪声，冲击噪声和啸叫噪声。目前对于轮轨滚动噪声和冲击噪声的研究相对较多，但对于轮轨啸叫噪声的研究较少，本论文拟从模态耦合理论出发研究轮轨啸叫噪声。

1.2国内外研究现状分析

轮轨曲线啸叫噪声的研究到目前为止已有80多年的历史了，但由于其成因比较复杂，影响其形成的因素比较多，因此到目前为止还是比较受研究者欢迎的研究课题。研究人员有了包括理论分析，有限元分析，建模仿真在内的多种方法来研究轮轨曲线啸叫噪声的成因。由于在地铁内出现曲线啸叫噪声的情况比较频繁，故国外对于曲线啸叫噪声的研究比国内早。

1.2.1国外关于轮轨啸叫噪声研究现状分析

在西方的较为发达的国家，轮轨啸叫噪声早已吸引了广大有关部门的注意，政府发布了有关环境噪声保护的绿皮书来解释铁路噪声对社会以及人民的影响。人们关于轮轨噪声对于环境的影响起源于上世纪60年代，70年代，日本以及一些西方国家拉开了对轮轨噪声研究的序幕。Remington ^[10]从轮轨相互作用角度出发，建立了轮轨滚动噪声预测模型。但该模型还存在一些局限，比如由其计算得到的轮轨噪声不能反映其高频成分。欧洲铁路研究所（European Railway ResearchInstitute，简称ERRI）的研究人员对Thompson模型进行完善，在此基础上开发出了一款轮轨噪声预测软件TWINS（Track－Wheel Interaction Noise Software），并将改进后的模型称为TWINS模型 ^[11,12]。该软件成为了预测轮轨噪声的重要工具。尽管对于轮轨噪声的研究已经取得了一些不俗的成绩，但其中还存在一些问题。法国的研究人员N.Vincent^[13]在法国地铁啸叫噪声的影响下通过实验对列车的速度，轮轨之间的冲角以及接触位置的变化对于啸叫噪声的影响建立了简单的预测方程。

1.2.2国内关于轮轨啸叫噪声研究现状分析

轮轨曲线啸叫噪声的形成受到列车速度的影响，因为之前国内的列车速度普遍不高，因此有关轮轨曲线啸叫噪声的研究未引起相关研究人员的重视，国内在这个课题上的研究还不太多。随着近些年技术的发展，我国列车速度不断提升，由此带来的轮轨噪声已不能忽视，在此基础上国内开展了对铁路噪声的研究的一系列工作。其中西南交通大学翟婉明教授对轮轨耦合振动进行大量的研究，翟婉明、徐志胜^[14]基于车辆—轨道耦合动力学理论和铁木辛柯梁钢轨模型的车辆—轨道耦合振动模型，对钢轨的固有振动噪声特性做了详细的分析；陈小平 ^[15]运用车辆—轨道垂向耦合动力学理论，建立车辆－轨道垂向耦合振动模型，他分别以Euler梁和质量块看做钢轨和车轮模型，基于该模型他分析了轮轨振动及其辐射噪声与轨道结构参数的关系。赵兴钢^[16]利用轮对边界元声学分析模型及边界元理论，计算并分析了轮对振动噪声特性。

虽然国内对于轮轨耦合振动下的噪声研究有了长足的发展，但是距离国际前沿还有一段距离，主要原因在于没有提出自己的模型，大多研究还是建立在Remington 模型上。对于噪声的研究尚处于起步阶段，大大落后于我国铁路发展的水平。

2. 研究的基本内容与方案

2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究基本内容及目标

轮轨曲线啸叫噪声的研究需要涉及包括动力学，声学，有限元分析以及摩擦学等多方面的知识，这使得轮轨啸叫噪声的研究一直都是噪声研究中的难点问题。目前关于轮轨啸叫噪声的形成主要有以下四种机理。分别是粘滑机理，摩擦力相对滑动负斜率机理（负阻尼机理），自锁-滑动机理以及模态耦合机理。前两种机理是由于基于摩擦学形成的，其主要特征是摩擦系数随相对切向速度的减小而减小，从而在系统中引入了负阻尼。后两种机理强调了机械系统的几何结构对于摩擦自激振动的影响，在该情况下摩擦系数设为常数。这种现象在数学上是由于法向和切向通过摩擦耦合而产生的非对称刚度矩阵。关于轮轨啸叫噪声的研究方法比较多，如实验法，数值分析法，有限元法等等。本文主要使用有限元法对于轮轨系统进行分析。探讨轮轨系统的特性以及啸叫噪声的影响因素。如车轮的横向振动与径向振动的耦合以及冲角对啸叫噪声的影响等。

2.2机理介绍

2.2.1粘滑机理

在上世纪50年代的时候，摩擦噪声产生的主要原因被认为是由于粘滑机理产生的。它是解释摩擦噪声成因的最早被提出的机理 ^[17]。该机理定义为由于滑动表面存在弹性自由度时所导致的运动不连续，这种不连续的运动即称为粘滑运动。锯齿波是该运动摩擦力的波形。粘滑运动发生在速度较低的情况下，粘滑运动的发生存在着临界速度，当相对运动速度高于临界速度时，粘滑运动便会消失。静摩擦系数大于动摩擦系数被认为是粘滑运动的成因。研究表明，粘滑运动可以产生低声强级噪声^[18]，而高声强级噪声通常发生在滑动速度较大且大于临界速度处。这说明两者发生的位置不重合。

2.2.2自锁-滑动机理

spurr^[19]于1962年建立了自锁—滑动模型说明由于几何结构的不稳定也可能引发啸叫噪声。由于在摩擦接触面的自锁导致摩擦系统的不稳定，从而造成了与摩擦振动相关的轮轨噪声。spurr研究发现对于单一噪声来讲，噪声的频率变化通常和摩擦系数变化有关，总体来说摩擦系数的变化与轮轨摩擦噪声的产生关系密切。但是该理论还存在局限性，那就是通常发生摩擦噪声的地方位于摩擦系数较大处，而且发生处不仅有平行于摩擦振动的方向，还存在垂直于摩擦振动的方向。

3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1-2：查阅文献与外文文献翻译；

第3-7周：学习ansys软件；

第8-11周：建立有限元模型并进行仿真；

4. 参考文献（12篇以上）

4.阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年不少于3篇）

[1] 曹竣凯. 高速铁路对沿线区域经济发展影响研究[d]. 西南交通大学, 2014.

[2] 杨新文. 高速铁路轮轨噪声理论计算与控制研究[d]. 西南交通大学, 2010.

[3] 张迅. 轨道交通桥梁结构噪声预测与控制研究[d]. 西南交通大学, 2012.