高速列车车体铝型材板SEA参数研究

摘要

高速列车在满足了人们对安全和高速的要求后，其车内噪声水平受到越来越多的关注。为了提升列车的NVH性能，需要在列车开发阶段准确预测列车车内噪声。目前，高速列车的整车车内建模一般采用统计能量分析(SEA)方法，SEA的关键是确定各子系统的模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子等重要参数。车体铝型材子系统是车辆SEA模型中最重要的子系统。本文以高速列车车体铝型材为研究对象，基于理论、数值分析以及试验对型材SEA参数进行全面研究。具体研究工作如下：　　(1)基于有限元建立高速列车车体铝型材仿真模型，通过模态分析获取模态参数，并与基于激光测试法所获得的模态参数进行比较以验证仿真模型的准确性。同时分析型材实体单元模型、壳单元模型以及实体-壳单元混合模型三种模型优缺点。结果表明：实体单元建模方法分析结果与试验获取结果相比误差小，模型可靠性高。但实体单元模型单元数多，建模及计算时长过长，严重拉低工作效率；壳单元模型存在一定误差，但相对实体单元其单元数少了几倍，计算效率大幅度提高；实体-壳单元混合模型各频率与试验结果都相差较小，且计算效率较高，既提高工作效率也满足计算精度。　　(2)基于参数灵敏度分析探索SEA参数误差对系统能量的影响。针对两单板子系统耦合模型：SEA各参数误差会引入能量误差，随子系统1模态密度增大10%，子系统2的能量平均减小约35%；随子系统1内损耗因子增大10%，两个子系统的能量平均减小约10%；随子系统1到子系统2的耦合损耗因子增大，子系统1能量减少，子系统2能量增大。模态密度的精确度对SEA模型精度影响最大。　　(3)在单板模态密度方面，计算了单板面内与面外模态密度，且讨论了边界条件的影响。结果表明：面内模态出现在高频，单板面外模态密度是单板总模态密度的主要贡献源；边界条件对单板模态密度的影响在低频较显著，高频时逐渐减小。在高速列车车体铝型材模态密度方面，先基于模态计数法对三种建模方式下铝型材有限元模型进行模态密度获取，发现三者模态密度结果基本吻合；其次讨论型材边界条件与筋板倒角、焊缝对模态密度的影响，结果表明：频率低于3150Hz时，自由条件下结构模态密度都高于固支条件下结构的模态密度，最大差异达到23%；频率高于3150Hz时，边界条件对模态密度影响变小；同时去除焊缝和倒角对型材模态密度造成的误差较大，最大误差达到41%，但是只去除焊缝的结果和同时考虑倒角与焊缝的结果差异不大。最后应用Kriging与RSM两种代理模型对型材模态密度进行拟合，发现Kriging模型与RSM模型对铝型材模态密度进行拟合的结果与仿真结果总体差距较小且趋势一致，并且相对于有限元仿真建模计算大大提高了工作效率，可为整车设计减少工作量。　　(4)针对高速列车用铝型材内损耗因子研究，探讨了两种铝型材损耗因子获取方法：PolyMAX和PIM。研究表明：两种方法获取的型材内损耗因子在多数频带内具有可比性。但是，由于型材在以100Hz、250Hz等为中心频率的三分之一倍频程频带内不存在模态，因此基于PolyMAX获取的型材内损耗因子为0，这不符合物理真实。因此当型材某些频带内无模态时，应该采用PIM对型材内损耗因子进行获取。　　(5)针对高速列车用铝型材耦合损耗因子研究，从型材结构间耦合损耗因子和型材与声场间耦合损耗因子两个方向展开研究。在结构间耦合损耗因子方面，讨论了型材子系统划分方式以及边界条件对耦合损耗因子的影响。结果表明：不同子系统划分方式下获取的耦合损耗因子差异明显，越到高频，差异越大；边界条件在低频和高频时对型材间耦合损耗因子影响较大。在结构与声场间耦合损耗因子方面，应用模态法获取单板与声场间耦合损耗因子和型材到声场的耦合损耗因子，并探讨了边界条件对型材与声场间耦合损耗因子的影响。结果表明：基于模态法计算所得的耦合损耗因子精度高；在分析频带内，边界条件在低频影响较大，且固支条件下的耦合损耗因子普遍比自由条件下的值大，但随着频率增大，边界条件影响逐渐变小。　　上述研究方法和结果为高速列车车内噪声控制及整车SEA噪声预测模型提供了系统的设计、评估和依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2.1 SEA简介

1.2.2 模态密度

1.2.3 内损耗因子

1.2.4 耦合损耗因子

1.3 本文主要工作

第2章 铝型材有限元建模分析

2.1 基于激光试验的铝型材模态参数识别

2.2 铝型材有限元建模

2.2.1 基于实体单元的铝型材有限元建模

2.2.2 基于壳单元的铝型材有限元建模

2.2.3 基于实体-壳单元混合的铝型材有限元建模

2.3.1试验与实体有限元模型的对比分析

2.3.2 不同有限元模型的铝型材模态对比分析

2.4 本章小结

第3章 铝型材模态密度的确定

3.1 模态密度的灵敏度分析

3.2 基于有限元模型的单板面内和面外模态密度

3.3 基于有限元模型的铝型材模态密度

3.3.1 不同单元类型对铝型材模态密度的影响分析

3.3.2 不同边界条件对铝型材模态密度的影响分析

3.3.3 有无倒角与焊缝对铝型材模态密度的影响分析

3.4 基于代理模型的高速列车铝型材模态密度高效计算

3.4.1 基于Kriging模型的铝型材模态密度拟合

3.4.2 基于RSM模型的铝型材模态密度拟合

3.5 本章小结

第4章 铝型材内损耗因子的确定

4.1 内损耗因子的灵敏度分析

4.2.1 基于锤击法的铝型材内损耗因子测试

4.2.2 铝型材模态阻尼识别

4.3.1 PIM获取内损耗因子基本原理

4.3.2 基于PIM的铝型材内损耗因子识别

4.4 本章小结

第5章 铝型材耦合损耗因子的确定

5.1 耦合损耗因子的灵敏度分析

5.2 铝型材子系统划分方式对耦合损耗因子的影响研究

5.3 边界条件对铝型材耦合损耗因子的影响分析

5.4 铝型材与声场之间耦合损耗因子

5.4.1 单板与声场之间CLF

5.4.2 铝型材与声场之间CLF

5.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集