本发明属于桥梁噪声预测，尤其涉及一种基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法。
背景技术：
1、随着高速铁路网的全面铺开和高铁桥梁的迅猛发展，人们的交通出行得到了极大的便利，但列车过桥时引发的桥梁结构振动噪声问题也日渐突出，愈发受到关注。轮轨间相互作用力的准确计算是研究轨道结构及轨下桥梁结构振动与噪声问题的关键。而以往研究考虑了车体、转向架以及轮对在各个方向的自由度，这将导致自由度数量大，计算成本高，计算时间长。对于桥梁结构而言，混凝土桥面的噪声主导频段一般低于250hz。该频率范围内的模态密度较低，因此适合进行有限元法建模。而钢构件的辐射噪声可高达1000hz，其中的模态密度足以使用统计能量分析方法。浮置板轨道是城市轨道交通和高速铁路中常用的轨道结构形式，如何准确高效地计算浮置板轨道结构形式下的垂向轮轨作用力和预测振动噪声是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，解决了现有垂向轮轨力获取方法考虑了车体、转向架以及轮对在各个方向的自由度，而导致自由度数量大，计算成本高，计算时间长的问题。并通过引入有限元-统计能量分析混合方法预测桥梁结构噪声解决了在宽频范围内噪声预测不准确和计算时间长的问题，同时避免了针对不同频段使用不同模型所造成的不连续性问题。
2、为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
3、本方案提供一种基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，包括以下步骤：
4、s1、将浮置板视为两端自由的欧拉-伯努利梁，并根据浮置板的材料参数和截面参数，计算浮置板在频域内的动导纳；
5、s2、基于钢轨在频域内的动导纳、浮置板在频域内的动导纳以及叠加原理，通过构建关于钢轨和浮置板的垂向位移的方程组并求解，得到钢轨和浮置板的垂向位移；
6、s3、根据钢轨和浮置板的垂向位移，计算钢轨在主动轮处的动导纳，并根据车轮在频域内的动导纳及轮轨接触动导纳，得到频域内钢轨分别与主动轮和被动轮的垂向轮轨作用力；
7、s4、将每一车轮依次作为主动轮，根据频域内钢轨分别与主动轮和被动轮的垂向轮轨作用力，并基于叠加原理，通过获取频域内浮置板结构的垂向轮轨力，得到传递至桥梁上的力；
8、s5、将桥梁结构中模态密度低的部件视为确定性部件，并使用有限元建模，构建混合有限元-统计能量分析模型fem-sea，并结合传递对桥梁上的力，进行噪声预测，完成对钢箱叠合梁的噪声预测，其中，统计部件由统计能量分析子系统表示。
9、本发明的有益效果是：本发明基于混合有限元-统计能量分析预测桥梁噪声，解决了现有垂向轮轨力获取方法考虑了车体、转向架以及轮对在各个方向的自由度，而导致自由度数量大，计算成本高，计算时间长的问题。并通过引入有限元-统计能量分析混合方法预测桥梁结构噪声，解决了在宽频范围内噪声预测不准确和计算时间长的问题，从而实现了精度和计算成本之间的完美平衡，同时避免了针对不同频段使用不同模型所造成的不连续性问题。
10、进一步地，所述步骤s1中浮置板在频域内的动导纳的表达式如下：
11、
12、其中，βs表示浮置板在频域内动导纳函数，n'表示第n'阶振型，n表示总模态数，wn'(x1)表示在x1处浮置板的第n'阶振型函数，wn'(x2)表示在x2处浮置板的第n'阶振型函数，wn'表示浮置板的第n'阶振型函数，ω表示角频率，ωn'表示浮置板的第n'阶自振频率，i表示虚数单位，ηs表示浮置板损耗系数；
13、其中，浮置板的第n'阶自振频率和归一振型函数的表达式如下：
14、
15、其中，w1(x)表示浮置板的第1阶归一振型函数，w2(x)表示浮置板的第2阶归一振型函数，ρs表示浮置板的密度，as表示浮置板的横截面积，ls表示浮置板的截面惯性矩，x表示浮置板沿轴线方向的坐标，取值范围为0～ls，kn'和cn'均表示振型函数参数，es表示浮置板的弹性模量。
16、上述进一步方案的有益效果是：本发明利用振型函数求出浮置板的动导纳，为求解钢轨和浮置板的垂向位移提供了前提条件。
17、再进一步地，所述步骤s2中钢轨和浮置板的垂向位移的方程组如下：
18、
19、
20、其中，ur(xw,j)表示钢轨在第j个被动轮处的垂向位移，αr(xw,j,0)表示钢轨在主动轮处受到垂向单位简谐激励时，钢轨在第j个被动轮处的垂向位移，n表示第n个扣件，nf和nb分别表示扣件和浮置板的数量，kf和ηf分别表示扣件复刚度的实部和扣件的损耗因子，ur(xf,n)表示钢轨在第n个扣件处的垂向位移，ub(xf,n)表示浮置板在第n个扣件处的垂向位移，αr(xw,j,xw,p)表示在钢轨第p个被动轮位置处施加垂向单位简谐激励时，钢轨在第j个被动轮处的垂向位移响应，zcw表示轮轨接触动导纳与车轮动导纳的串联动导纳，ur(xw,p)表示钢轨在第p个被动轮位置的垂向位移，αr(xw,j,xf,n)表示钢轨在第n个扣件处施加垂向单位激励时，钢轨在第j个被动轮处的垂向位移，ur(xf,i)表示钢轨在第i个扣件处的垂向位移，αr(xf,i,0)表示钢轨在主动轮处受到垂向单位简谐激励时，钢轨在第i个扣件处的垂向位移，ur(xf,n)表示钢轨在第n个扣件位置的垂向位移，ub(xf,n)表示浮置板在第n个扣件位置的垂向位移，αr(xf,i,xf,n)表示钢轨在第n个扣件处施加垂向单位激励时，钢轨在第i个扣件处的垂向位移，αr(xf,i,xw,p)表示钢轨在第p个被动轮处施加垂向单位激励时，钢轨在第i个扣件处的垂向位移，表示浮置板在第k+mnf个扣件处的垂向位移，m表示浮置板的编号，表示扣件的复刚度，ur(xf,n)和ub(xf,n)分别表示钢轨和浮置板在第n个扣件处的位移，表示在浮置板第n个扣件位置处施加垂向单位简谐激励时，浮置板在第k+mnf个扣件处的垂向位移响应，ns表示支撑弹簧编号的最大值，表示钢弹簧的复刚度，kb和ηb分别为钢弹簧复刚度的实部和钢弹簧的损耗因子，ub(xs,n”)表示浮置板在第n”个支撑弹簧处的位移，表示浮置板在第n”个支撑弹簧位置处施加垂向单位简谐激励时，浮置板在k+mnf个扣件处的垂向位移响应，表示浮置板在第l+mns个支撑弹簧处的位移，表示浮置板第n个扣件处施加垂向单位简谐激励时，浮置板在第l+mns个支撑弹簧处的垂向位移响应，表示浮置板在第n”个支撑弹簧位置处施加垂向单位简谐激励时，浮置板在l+mns个扣件处的垂向位移响应。
21、上述进一步方案的有益效果是：本发明通过考虑外界激励对不同位置扣件的影响，经过叠加计算可以得到钢轨和浮置板的垂向位移。
22、再进一步地，所述步骤s3包括以下步骤：
23、s301、根据钢轨和浮置板的垂向位移，计算扣件力及被动轮j与钢轨间的垂向作用力；
24、s302、根据扣件力及被动轮j与钢轨间的垂向作用力，计算钢轨在主动轮j*处的动导纳；
25、s303、根据车轮在频域内的动导纳及轮轨接触动导纳，得到频域内钢轨分别与主动轮和被动轮的垂向轮轨作用力。
26、再进一步地，所述钢轨在主动轮j*处的动导纳的表达式如下：
27、
28、ff,i＝-kf(1+iηf)[ur(xf,i)-ub(xf,i)]
29、fw,j＝-zcwur(xw,j)
30、其中，表示钢轨在主动轮j*处的动导纳，αr(0,0)表示钢轨在主动轮位置处受到单位简谐激励时，钢轨在主动轮位置处的垂向位移，nf表示扣件的数量，ff,i表示扣件力，αr(0,xf,i)表示钢轨在第i个扣件位置处受到单位简谐激励时，钢轨在主动轮处的位移，fw,j表示被动轮j与钢轨间的垂向作用力，αr(0,xw,j)表示钢轨在第j个被动轮位置处受到单位简谐激励时，钢轨在主动轮处的位移，kf和ηf分别表示扣件复刚度的实部和扣件的损耗因子，i表示虚数单位，ub(xf,i)表示浮置板在第i个扣件位置的垂向位移，zcw表示轮轨接触动导纳与车轮动导纳的串联动导纳，ur(xw,j)表示钢轨在第j个被动轮处的垂向位移，ur(xf,i)表示钢轨在第i个扣件处的垂向位移。
31、再进一步地，所述步骤s4中垂向轮轨力的表达式如下：
32、
33、
34、
35、其中，fw-r,j'表示钢轨与第j'个车轮的垂向轮轨作用力，faw-r,j*表示第j*个车轮作为主动轮时，其与钢轨间的垂向作用力，f(pw-r,j'),j*表示第j'个车轮作为被动轮，第j*个车轮作为主动轮时，车轮j'与钢轨间的垂向作用力，r(ω)表示轨道不平顺谱，αw、αc和分别表示车轮在频域内的动导纳、轮轨接触动导纳、钢轨在主动轮j*处的动导纳，zw表示车轮在频域内的动刚度，ur(xw,j)表示钢轨在主动轮j处的垂向位移，r0表示轨道不平顺基准值，λ表示轨道不平顺波长。
36、上述进一步方案的有益效果是：本发明通过叠加原理，将各个车轮作为主动轮时的轮轨力结果进行叠加，即可得到传递到桥梁上的力，为后续求解桥梁结构的声学响应提供了荷载作用。
37、再进一步地，所述步骤s5包括以下步骤：
38、s501、将桥梁结构中模态密度低的部件视为确定性部件，利用统计能量分析子系统表示统计部件；
39、s502、在混凝土桥面采用有限元法建模，利用统计能量分析子系统对钢箱组合梁和全封闭隔音屏障进行模拟，其中，有限元法和统计能量分析子系统之间的连接通过软件内置的混合点连接和混合线连接，完成对混合有限元-统计能量分析模型fem-sea的构建；
40、s503、基于传递到桥梁上的力，利用混合有限元-统计能量分析模型fem-sea进行噪声预测，完成对钢箱叠合梁的噪声预测。
41、上述进一步方案的有益效果是：本发明通过上述简化求解轮轨力的方法有效解决了自由度大，计算量大的问题，将求解结构外界荷载转化为求解轨道构件动导纳，并通过引入有限元-统计能量分析混合方法预测桥梁结构噪声，解决了在宽频范围内噪声预测不准确和计算时间长的问题，从而实现了精度和计算成本之间的完美平衡，同时避免了针对不同频段使用不同模型所造成的不连续性问题。
1.一种基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s1中浮置板在频域内的动导纳的表达式如下：
3.根据权利要求1所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s2中钢轨和浮置板的垂向位移的方程组如下：
4.根据权利要求1所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述钢轨在主动轮j*处的动导纳的表达式如下：
6.根据权利要求1所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s4中垂向轮轨力的表达式如下：
7.根据权利要求1所述的基于动导纳与fem-sea的钢箱叠合梁噪声预测方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：
