文献翻译-通过采用有限元模拟来优化运货车辆的车轮阻尼器

大学 届毕业设计第 1 页 共 9 页通过采用有限元模拟来优化运货车辆的车轮阻尼器瓦特贝洱 1 和 S 2 Cervello 一德国铁路公司，数据库 Systemtechnik，TZF12，Voelckerstr 。 5 个 D - 80939 慕尼黑，德国 电话：+49 （0）89 1308 7344 传真：。+49（0 ）89 1308 2590 wolfgang.behr bahn.de 2 LucchiniSidermeccanica，铁路产品，Lovere 的植物通过克帕格里亚 45，我，- 24065 Lovere 的 （保函），意大利 电话：。+39 035 963483，传真：+39 035 963488 s.cervello lucchini.com摘要在欧盟内部项目沉默了以后，一种新的发明车轮减震器的方法随之应运而生，这种减震器很适合有块刹车的于块运货列车。肯基尼已经研发了一种可以滑动的减震器，这种减震器由各种不同相互连接在一起的钢板组成的。为了评估减震器的效果，除了在实验室测量以外，同时也进行了有限元模拟。对于一个有或无减震器设备的车轮的模拟结果已经得出，当然也包括利用有限元技术模拟减震器的结果。同时也比较了计算值与实测值。1 绪论日益增加的铁路运输系统造成了声发射的增加。因此，德意志铁路集团尽一切努力来减少声发射，特别是对又快刹车的运货火车的。即使经营的需要使得设计一种新车轮很困难，这种设计是指能够满足给定结构和热性能的声学需。一种很好的减少声辐射的办法就是把减震器固定在车轮上。与使用光滑刹车轮的传统车辆相反，货运列车大多使用了在运行表面起作用的刹车。因此，块刹车上的减震器不仅要承受高达 450 摄氏度的高温，而且还要在这样的高温下正常的运转。大学 届毕业设计第 2 页 共 9 页在欧盟肃静项目1 EU-Project SILENCE 1于德国铁路公司研发的催眠减震系统，它只由能承受热负荷的钢铁组成。本文介绍了减震系统的工作机制，以及通过使用计算机执行有限元法工具 Ansys 来评估减震器的带来的声学效果。该减震系统首台测试样机结果表明了良好的降噪减震效果，该测试是通过有限元法集中在一种特定的情况下进行的，硬性加上的吸收板可以描述某种在某种条件下的功能障碍，比如像极端的天气冬天里的冰冻或者是生了锈的吸收板的表面。首先，“催眠”减震系统的功能将会给予详细的阐述。在接下来的部分，将会描述装有阻尼系统的车轮的有限元模拟。主要部分是集中在事后进行的有限元模拟计算，尤其是对硬性耦合的减震器板的计算。装置的阻尼效应以及工作的减震板之间的相互滑动将会在前景（展望）中进行讨论。2“催眠”减震系统该减震系统的两个主要部分是，两个为了可以相互滑动没有硬性连接在一起的薄的钢板组成的。因为这种滑动可以使振动能量转化为摩擦能量。吸收钢板覆盖了整个车轮的后表面。因此他们可以在制动过程中缝，让热量从车轮的后面散出。每一个吸收板固定在一个固定环上。第一个大圈被安排在内侧边缘，第二个小圈布置在枢纽上。对于安好的安装环，进入该轮体的槽辗的环被夹紧。因此，每个安装好的环与车轮本身之间的滑动是可能的。但是由于预应力的夹环效果可被处理成近似于严格的固定的，尤其是小环。阻尼装置的单件，以及装有减震器车轮的横截面视图，如图 1 所示。同时也显示了计算机模拟的第三节。由 Radsatzfabrik Ilsenburg 生产的车轮 BA004 是用于阻尼器装置调查的 。 大学 届毕业设计第 3 页 共 9 页图 13 说明有限元模型如图 1 所示，有限元模型由固体元素所组成，一般这些固体元素被分为五大类：车轮 BA004，大型安装环，小型安装环，大型减震器片和小型减震器片。对于这些元素，其对钢铁的材料参数已被使用：密度为 7700 kg/m3，弹性模量为 214 千兆。大型减震片与大型安装环相连接，而小型减震片则被固定在小型安装环上。存在于两个减震片之间的连接与目标元素能确保两个减震片的相对滑动。由于摩擦阻尼而损失的能量是仿照了位于阻尼板之间的附加阻尼元件所损失的能量的（ 结合元素2）。所有减震片由于阻尼而产生的能量强度都可以随阻尼因子Cv1 而被调整。同样，存在与每个安装环和车轮体之间的连接目标元素确保了其相对滑动。为了模拟每个安装环的预应力效应以及其的阻尼效应，在每个安装环的两个末端都安装了阻尼元件。相应的，由于安装环的阻尼效应而产生的相应强度是随阻尼因子 Cv2 而被调整的。系统规定参数是以对被轮轴相连的车轮有具体现实作用的轴心设置的。4 有限元计算4.1 车轮 BA004 的模态分析在第一步中演示了无阻尼装置的车轮 BA004 的模态分析。每个车轮只有在特定的可执行模态分析的频率下发射声音。一个具体的模态频率能否被激发，大学 届毕业设计第 4 页 共 9 页取决于激发的位置和方向，而振动强度的振幅取决于其本身，振动频率则依赖于车轮和轨道表面的状况。由此产生的模态频率范围为 900 赫兹1200 赫兹如下图所示。01,02,03,04 ，05，06 ，07 ，08。图 24.2 谐波分析和有限元模拟要确定一个车轮的震动行为只有几个不同的频率传递功能就足够了。图 3 中显示了常见的激发点部位。对在径向方向（2 倍或 3 倍如）运行表面的激发模拟了在一条直线轨道上运行的行为，而边缘的激发（如在 1 年）模拟曲线运行的行为。像 3X-1Y 或 2X-1Y 传递函数可以给出声音辐射的第一个暗示，即使车轮前面只有一个点也可以进行分析。一套转移功能已被卢基尼实验室进行了实施，车轮被安装在橡胶快上，这样车轮的震动行为就不会受到任何的限制。因此，没有任何限制的有限元模拟就可以计算传输功能。测量和计算数据之间的比较显示所有传递函数一致。例如，图 3 中显示的传递函数 2X-2X。可以看出，自振频率吻合良好。与几个不同分贝的声辐射有关的最大水平可能是有各种不同的阻尼模式造成的。结构行为表明有限元模拟可以被认为是验证的。图 34.3 声功率的测定 执行调和分析给出在车轮表面每个点的振动速度。平均超过所有的车轮式面结大学 届毕业设计第 5 页 共 9 页合的使用 n 个点。 （1 ）给出 与求解 P0 = 10-12 W 声功率时，A0 = 1 平方米，0= 510-8 米/秒，= 1.225 kg/m3 的和 c = 340 米/秒3。从而辐射效率设置为统一这是一个很好的近似 以上为 1 千赫的频率轮。338 瓦特贝洱和 S. Cervello 的辐射声功率的车轮图所示。四是计算激发地点在运行表面和边缘。可以看出，振动在图 2 所示的模式不同的依赖程度非常高兴的径向或切激励方向。应当指出，对 1 个 N 激振力是用于在谐波分析。 图 4因此，显示在声功率绝对值图 4。并不代表一个轮子真正辐射声功率，但他们使定量比较不同的调校。车轮的辐射声功率（如图 4 所示）是计算在运行表面和边缘的激发位置的。可以看出，在图 2 所示的震动模式不同程度的依赖于径向或切向的激发方向。应当指出，1N 的激振力是用来谐波分析的。因此，显示在声功率绝对值（图4）并不代表一个轮子真正辐射声功率，但他们可以定量比较不同的调校。44 减震系统的模仿与刚性地被结合的减震器板材将刚性地被结合的减震器板材的抑制作用和不受抑制的轮子的声音辐射的作用对比，为了估计声音辐射的定量作用，声音力量在两种情况下分别被计算。大学 届毕业设计第 6 页 共 9 页图 5 展示轮子的前方声音力量在流动的表面被激发时不受抑制的轮子相对应的声音力量对比，(在地点)。可以看出，对于所有方式，甚至是与刚性地被结合的减震器板材，都有一个减震作用。未受抑制的声音力量的总水平在频率范围 500 3000 Hz 是 83.9。 为与刚性地被结合的减震器的被抑制的轮子对应的声功率是 82.6 dB。声音辐射的减少也许由僵住的轮子造成。 图 6 展示刚性地被结合的减震器的作用，模型 2是个例子。刚性地被结合的减震器板材没有滑的可能性，可以陈述为抑制的最坏情况，抑制系统的声音辐射可以被假定为至少 1.3dB。因此，对于一个运行的减震器系统，可以更多的减少声音辐射。但是，当“抑制运行”包括在内时，声音辐射常数力量可能不会引起任何区别。 图 5图 64.5 抑制系统的声音辐射在第 4.4 部分描述的演算展示了当减震器板大学 届毕业设计第 7 页 共 9 页将刚性地被结合的减震器板材的抑制作用和不受抑制的轮子的声音辐射的作用对比，为了估计声音辐射的定量作用，声音力量在两种情况下分别被计算。图 5 展示轮子的前方声音力量在流动的表面被激发时不受抑制的轮子相对应的声音力量对比，(在地点)。可以看出，对于所有方式，甚至是与刚性地被结合的减震器板材，都有一个减震作用。未受抑制的声音力量的总水平在频率范围 500 3000 Hz 是 83.9。 为与刚性地被结合的减震器的被抑制的轮子对应的声功率是 82.6 dB。声音辐射的减少也许由僵住的轮子造成。 图 6 展示刚性地被结合的减震器的作用，模型 2是个例子。刚性地被结合的减震器板材没有滑的可能性，可以陈述为抑制的最坏情况，抑制系统的声音辐射可以被假定为至少 1.3dB。因此，对于一个运行的减震器系统，可以更多的减少声音辐射。但是，当“抑制运行”包括在内时，声音辐射常数力量可能不会引起任何区别。 4.5 抑制系统的声音辐射在第 4.4 部分描述的演算展示了当减震材刚性地被结合时抑制系统对轮子的作用。 由于对轮子前面震动的减少，轮子引起的声音辐射的影响较小。然而减震器的板材也振动，并且放热。象轮子一样，减震器板材也有某些振动，轮子震得厉害，它也震得厉害。那个轮子背面的材料，由于来自无盖货车猪蹄和轨道的辐射，导致噪音释放。要得到由减震器板材引起的最大可能的相当数量的估计，就要计算和比较轮子后面和前面的声音力度。比较是在图 7 展示的，最坏的情况 (刚性地被结合的减震器板材)使用等式(1). 因为辐射效率小于 1稀薄的板材的，合理的放热的板材也许被过高估计(为频率在具体情况的 2 kHzto 板材的 6 mm 的联合的厚度) 大学 届毕业设计第 8 页 共 9 页图 7 表示，根据模型减震器板材的声音力量与前面比较更大，均等或者较少。并且有另外的模型只解释后面的声音辐射。后面的最强的声音力量从模型 2 得出结论。频率分别是 1292 Hz 和 1417 Hz。声音辐射力量的总水平，前面给82.6 dB，后部 87.2 dB(为与减震器板材轮子刚性地结合)。 所以后面的声音辐射由于减震器板材刚性地结合将近 5 dB，比前面的声音辐射更高. 由于从无盖货车身体和轨道的吸收和反射减少辐射声音可以预测，因此可以假设这个结果和计算数值没有关系。图 7.前面声音的力量与刚性地被结合的减震器板材的轮子和后面的对比 340 W. Behr 和 S. Cervello4 Behr， W.，等： 一座铁路桥的合理的辐射的演算。 在： 第 5 国际在壳&空间结构，萨尔茨堡的计算的参考 (2005) 图 75 外形模仿在第 4.4 部分展示，并且 4.5 节集中于演算阻止刚性地被结合的减震器板材，为了调查减震器系统的机能障碍的最坏情况。正如第三部分所描述，FE 模型包含在减震器板材间起抑制作用的元素。 一个运作的减震设备的模型展示减震作用将使设备的不同的零件的具体设计的优化成为可能。6 结论本文展示了 LucchiniSidermeccanica 在与 Deutsche AG Bahn 合作下提出的大学 届毕业设计第 9 页 共 9 页“Hypno”原型减震设备被固定在轮子 BA004 时的作用的演算。没有抑制系统的有限要素轮子 BA004 模型通过与测量的比较能被确认. 调查的描述以刚性地被结合的减震器板材的减震设备的机能障碍为焦点，为了假定减震器运行的最糟情况。可以计算出，轮子背面的抑制板材的声音的散热作用，比轮子正面的好一点。事实上，由于反射和在轮子背面区域的吸收作用，初始状态的这个意义并不大，但会优选设备的调整有更好的引导。进行测试训练来证明降低音响对轮子主体的作用并对抑制系统的声音散热作用进行核查在 2007 的秋天已经安排进行，并且将有希望展示被描述的抑制系统的好作用。这些有目的的测量结果将为提高目前应用的抑制设备的“Hypno”原型使用进一步 FE 模型提供可能。 7 致谢作者想感谢项目负责人 Bernd Asmussen 所有卓有成效的讨论。这项工程得到了在联合沉默工程内的欧盟的财政支持。8 参考文献1项目主页，http:/www.silence-ip.org2 Ansys 发行，8.1 文献/元素参考/元素图书馆， Ansys Inc.， Canonsburg，美国(2004)3 Beranek， L.L. ： 噪声和振动控制。 McGraw-Hill,纽约(1971)