列车低噪声车轮声辐射优化模型及其遗传算法研究

With the large-scale development of high-speed rail and urban rail transportation in China,, the noise and vibration problems caused by the railway have become increasingly prominent, and how to reduce the railway noise from the sound source has become the hot spot for domestic and foreign studies. With the reduction of wheel noise and vibration generated by train wheels as the purpose, this study applies the structural dynamic optimization principle to the optimization design of acoustic radiation cross-section on the wheel structure. Based on the dynamics sub-model of wheel-rail, we combine the finite element numerical simulation of wheel rail dynamics and boundary element acoustic simulation method, Combining with the wheel structural dynamic response sensitivity and acoustic response sensitivity analysis,and setting wheel structural strength and wheel structural section parameters as constraints,to establish the low-noise wheel acoustic radiation optimization model of train in which the wheel structural acoustic radiation power is the objective function. we adopt the structure-acoustic radiation optimization theory and the multi-parameter optimization genetic algorithm, to program the optimization of the acoustic radiation optimization model of train and determine the structural section design of minimum wheel radiated sound power, so as to achieve the optimization design of the sound radiation of low-noise wheels. The research results will provides the theoretical basis and computational analysis model for noise and vibration control technology of high-speed train wheel in China, as well as vibration and noise reduction optimization design of wheel structural section parameters.

随着我国高速铁路及城市轨道交通大规模的发展，铁路引发的振动噪声问题也日益突出，如何从声源上降低铁路噪声已成为国内外学者研究的热点。本项目以降低列车车轮在运行中产生的车轮振动噪声为目的，将结构动力优化原理应用于车轮结构截面声辐射优化设计。在轮轨动力学分模型基础上，利用轮轨动力学有限元数值模拟和边界元声学模拟相结合的方法，结合车轮振动响应灵敏度与声学响应灵敏度分析，以车轮结构尺寸及结构强度等参数为约束条件，建立以车轮结构声辐射功率为目标函数的列车低噪声车轮声辐射优化模型；运用结构-声辐射优化理论与多参数高效寻优的遗传算法，对列车声辐射优化模型求解进行程序设计，确定车轮辐射声功率最小的结构截面设计，实现低噪声车轮的声辐射优化设计。研究成果为我国高速列车车轮振动噪声的控制技术、以及车轮截面参数的减振降噪优化设计提供理论依据和计算分析模型。

以降低铁路列车车轮在运行中产生的振动噪声为目的，将结构动力优化原理应用于车轮结构截面优化设计，利用轮轨动力学有限元数值模拟和边界元声学模拟相结合的方法，建立以车轮结构声辐射功率为目标函数的铁路列车低噪声车轮声辐射优化模型，运用结构振动声辐射优化理论与多参数高效寻优的遗传算法进行求解，实现低噪声车轮的声辐射优化设计。.1、运用车辆-轨道耦合动力学原理，将车辆和板式轨道作为一个整体系统建立无砟轨道垂向耦合动力学模型，运用轨道不平顺模拟新方法拟合得到Sato高频不平顺谱空间样本。以轮轨表面不平顺作为激励，考虑轮轨接触滤波，运用相关程序软件对模型进行编程，模拟出了列车在无砟轨道上运行时的轮轨垂向作用力时域系列。.2、结合结构振动动力学与声学理论，对车轮减振降噪最优化设计数学模型进行设计，采用对车轮振动声辐射影响较大的参数作为设计变量，以车轮振动辐射噪声最小为条件来建立目标函数，同时根据车轮强度条件对设计变量进行约束。.3、研究遗传算法的求解原理、各步骤要求，对车轮声辐射优化的目标函数、决策变量、约束条件进行设计，对遗传算法求解的实现方法，如编码、约束条件处理、适应度函数、遗传算子等进行设计，采用程序软件进行基于遗传算法理论的车轮声辐射优化设计数学模型的程序设计，并进行求解。.4、建立车轮三维实体有限元模型，将轮轨力动力学分析模型中的轮轨力输入到车轮三维实体有限元模型中，进行动力响应分析，输出振动速度响应作为声学输入，建立车轮声学边界元分析模型，将振动速度响应结果导入边界元声辐射模型中作为初始边界条件，对标准车轮和优化车轮进行振动声辐射预测，分析标准车轮与优化车轮的振动声辐射特性，并进行降噪评价分析。.5、通过对优化车轮和标准车轮的振动声辐射对比分析发现，优化车轮较标准车轮在辐板处的振动减小最为明显，最大振动加速度幅值由209.20 m•s-2减小为194.60 m•s-2，优化车轮声辐射功率较标准车轮声辐射功率在大部分频段上均有所减小，在1200 Hz与3200 Hz处降低比较明显，分别达到2.31 dB和2.42 dB，说明利用遗传算法对铁路车轮进行最优化设计是有效的，给铁路列车减振降噪提供了一种途径。