文档介绍：2009 年 LMS 中国用户大会论文集

车轮声辐射特性数值计算
刘海平
(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海 200240)
摘要:声辐射效率是轮轨噪声预测的重要参数。根据车轮几何轴对称性,本文建立车轮轴对称有限元/边界
元模型,考虑各因素对仿真模型计算结果精度的影响,选取合理的模型参数。利用边界元软件 LMS
SYSNOISE 计算车轮模态声辐射效率。与已有文献结果相比,结果变化规律良好一致,计算结果正确。计
算结果表明:车轮模态辐射效率在低频段呈现近似线性变化,随着频率的增加辐射效率曲线都趋于 1。不
同节径节圆数对应车轮模态低频辐射效率差别较大。
关键词:车轮声辐射效率有限元边界元 LMS SYSNOISE

1 引言
在快速城市化进程中,轨道交通因其快速便捷、大运量、高效率、低能耗、无污染(废
气排放)等特点,得到广泛的应用。但是,随着生活质量的提高,人们对噪声的容忍程度越
来越低。在列车常速运行时,轨道交通噪声以轮轨滚动噪声为主。根据 TWINS 软件计算研
究发现[1]:在 800~2500 Hz 频段轮轨噪声以车轮结构振动辐射噪声为主,如图 1 所示。
为了能够深入研究轮轨噪声的产生机理和优化产品结构,国内外科研工作者成功建立了
很多理论模型。目前,针对车轮振动噪声辐射主要有两种理论模型:
(1)由 Remington 建立的车轮模型[2],如图 2 所示,利用 LOVE 圆环理论,将车轮轮辋
视为弹性薄圆环,辐板简化为弹簧和阻尼,而轮毂部分则作为刚性质量块与轮轴结合在一起,

图 1 轮轨噪声图 2 车轮理论模型

作为轮轴的一部分考虑。为了计算车轮噪声辐射特征,Remington 利用实验数据拟合得到车
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轮和钢轨的辐射效率σ与频率 f 的关系式。实验研究表明[2]:车轮的径向和轴向辐射效率表达
式相同,近似得到σWR=σWA=2,该值满足 250~6300 Hz 频段的噪声计算要求;
(2)Remington 的车轮模型可以满足计算以车轮踏面振动(轴向和径向)为主的 0 节圆
振动模态;但是,针对车轮辐板高频振动模态的噪声计算则显的不足[3]。为了计算车轮高频
振动声辐射,Thompson 提出利用模态叠加法计算车轮振动响应[4]和噪声辐射特性。早期,由
于计算工具所限主要通过对比边界元和瑞利积分法计算结果简化得到车轮声辐射效率经验公
式。随着理论研究的深入和计算工具性能的提高,利用有限元/边界元法得到车轮各阶模态对
应模态辐射效率。进而,计算获得车轮辐射声功率。以上研究成果已被著名轨道振动噪声分
析软件 TWINS 采用。
根据以上对比,基于列车车轮结构辐射噪声以高频成份为主的特点,采用模态叠加法预
测车轮振动噪声精度更高。另外,分析车轮噪声辐射特性时,正确获得车轮结构声辐射效率
也是关键一步。目前,仅在文献[5]中提到关于车轮声辐射效率的简单求解步骤和相关计算结
果。由于笔者参与相关项目涉及到车轮模态声辐射效率的求解,现将求解过程和计算结果详
述如下。

2 车轮有限元/边界元模型
与圆形平板相似[4]:车轮的振动模态可以通过节径