【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十九期——地铁列车曲线啸叫噪声机理及特性研究
学生姓名：李亚炜
班 级：车辆2022-01班
指导教师：韩健
毕设题目：地铁列车曲线啸叫噪声机理及特性研究
一、概况
1.选题意义
城市轨道交通作为现代大都市公共交通体系的骨干，以其运量大、能耗低、准点率高、环境友好等显著优势，已成为衡量城市现代化进程的重要标志。截至2024年底，全球范围内已有79个国家和地区的562座城市开通运营城市轨道交通系统，总运营里程达到44730.14公里，其中地铁以51.24%的占比确立了其在全球城轨交通中的主导地位[1]。将视角转向中国，地铁在城轨交通体系中的主导地位则体现得更为突出。截至2024年12月31日，中国大陆及港澳台地区共有65座城市开通运营轨道交通，总里程达12844.57公里，其中地铁运营里程高达9306.09公里，占总里程的76.53%[2]。这一比重显著高于全球平均水平，深刻反映了地铁在我国城市化进程中的核心支撑作用。
伴随城市轨道交通网络的持续加密与延伸，线路规划不可避免地受到既有城市道路格局和建筑密集区的限制，导致小半径曲线路段大量增加。当列车通过小半径曲线时，轮轨之间常会产生一种高频、窄带、高声压级的刺耳噪声，即曲线啸叫。现场测试表明，在啸叫发生时，靠近车轮处的声压级可超过130 dB，距离轨道中心线7.5米处的声压级仍可高达100 dB以上，相比常规的滚动噪声高出10~30 dB[3,4]。这种噪声不仅主观烦恼度极高，严重恶化沿线居民的声环境质量，也对车内乘客的乘坐舒适性造成显著影响，已成为制约城市轨道交通环境友好性提升的关键技术难题之一。
因此，构建能够准确模拟轮轨三维滚动接触行为、捕捉高频自激振动响应、并预测其声辐射特性的高保真数值模型，对于深入理解曲线啸叫的产生机理、评估关键参数的影响规律、以及指导工程降噪措施的制定，具有重要的理论价值与工程意义。当前，我国城市发展已从大规模增量建设转向存量提质改造与增量结构调整并重，提升人居环境质量成为核心议题。因此，聚焦地铁曲线啸叫这一‘隐形污染’的精准治理，正是落实国家关于‘实施城市更新行动’、‘加强环境噪声污染防治’决策部署的务实之举。
2.任务分解
（1）资料查阅及外文文献翻译
根据设计任务书，大量检索和阅读有关曲线啸叫的国内外文献，了解该选题在国内外的研究情况，了解相关理论知识和研究方法，建立良好的理论基础，为进一步的自主设计分析奠定基础和提供支撑。
（2）图纸
完成抑制曲线啸叫噪声的阻尼环车轮A1图纸与嵌入式钢轨A1图纸各1张。
（3）轮轨振动和声辐射建模
根据设计图纸，用Hypermesh、ANSYS软件建立地铁列车轮轨有限元和声学模型，完成轮轨的振动和声辐射建模。
（4）地铁列车曲线啸叫的机理及特性分析
通过软件得到不同激励及参数条件下的曲线啸叫，分析不同参数对曲线啸叫的影响。
（5）毕业论文的撰写
整理模型和仿真数据，严格按照毕业论文撰写规范完成毕业论文。
二、已完成工作
1.已完成题目相关文献调研，完成一篇外文文献翻译。
检索并阅读地铁列车曲线啸叫噪声机理及特性研究相关的文献，了解地铁列车曲线啸叫噪声机理分析方法。完成《Frequency and Time Domain Prediction of Railway Curve Squeal including Multiple Wheel/Rail Contact Points》外文文献翻译。
图1 外文文献翻译结果
2.完成地铁阻尼环车轮与嵌入式钢轨初步设计并使用SolidWorks建立了三维模型。
图2 阻尼环车轮装配图 图3 嵌入式钢轨装配图
3.建立了用于振动噪声分析的有限元和边界元模型。
基于车轮和钢轨的结构建立了轮轨的三位有限元仿真模型，车轮与钢轨均采用六面体单元（SOLID 185）划分，为协调计算精度与计算效率，接触区域采用局部细化策略，将轮轨接触区域的网格尺寸加密至约1-2 mm。其他轨道部件基于研究目的进行合理简化建模：在车轴中部设置梁单元（BEAM 4）以施加扭矩模拟车轮滚动。车体与转向架对高频轮轨相互作用影响甚微，故简化为集中质量单元（MASS 21），并通过7个均匀分布的一系悬挂（并联线性弹簧和粘性阻尼器COMBINE 14）与轮对连接。扣件系统对轨道动态行为影响显著，本模型将其简化为线性弹簧-阻尼对，每个扣件由15个垂向分布的弹簧-阻尼单元（COMBINE 14）模拟。轨道板与砂浆层采用六面体单元（SOLID 185），材料分别为高强混凝土与CA砂浆层。材料参数的选择基于工程实际与通用取值，车辆及轮轨系统具体参数如表 3 1所示。
表 1 车辆及轮轨系统参数（续表标注）
图4 车轮二维截面划分 图5 钢轨二维截面划分
4.对轮对有限元模型进行隐-显式耦合求解
在完成几何建模、网格划分、材料赋值、接触定义与约束设置后，对模型施加重力加速度g=9.81 m/s2，并通过隐式静力求解器计算系统在自重作用Wg下的静态平衡状态。静态建模阶段所建立的有限元模型及其求解获得的静态接触解，共同构成了轮轨动态相互作用分析的物理与数值基础。静态分析所输出的位移场、应力应变场及轮轨接触状态被完整输出，作为瞬态模拟的物理一致起点，为模拟列车以特定速度通过目标曲线段，需对系统赋予初始运动状态。
图6 车轮横向力
图7 车轮及钢轨垂向力
5. 将ANSYS所得数据导入 LMS Virtual.Lab 进行声学分析
以ANSYS有限元模型计算得到的轮轨表面振动速度为输入，通过 LMS Virtual.Lab 的声学边界元模块求解 Burton-Miller 组合方程，获得轮轨噪声的声压级、频谱、指向性等关键参数。所得结果如下：
图8 车轮时域声压级
三、下一步工作计划
1. 进行毕业论文中轮轨有限元模型及边界元模型的建立，隐-显式耦合求解理论，声学边界元模型建立，噪声分析等方面内容的撰写工作；
2.继续进行参数调整，探究不同参数对于曲线啸叫的影响；
3.完善三维模型，并按照毕业要求规范绘制二维图纸。
4.汇总毕业设计所有资料、参考文献，完善并修改毕业论文。
5.准备毕业设计答辩。
问题一：你在显式求解模块是如何对轮对进行动力输入的？
回答：该工况下车轮初始速度为55km/h，结合车轮名义滚动圆半径可计算出角速度约为35.95rad/s，为了避免由隐式为避免扭矩阶跃加载引入的高频数值噪声，采用平滑的加载函数，使扭矩在设定的起效时间内从零逐渐增加至目标值。
问题二：你的模型没有考虑钢轨波磨，这会不会影响你验证啸叫结果的准确性？
回答：不影响。通过查阅文献得到，波磨振动与曲线啸叫在频率上明显分离，且在物理机制上属于不同现象——波磨激发垂向强迫振动，而啸叫源于横向蠕滑自激振动。此外，波磨振动在时频图上表现为独立的能量带，与啸叫频带无重叠。因此，模型未包含波磨不影响啸叫机理分析和噪声预测的有效性。
整个毕业论文的研究过程，不仅是对于我在车辆工程专业四年大学学习的检验、巩固与提高，也让我体会了专业知识在实际工程中的应用。地铁列车曲线啸叫与实际生活息息相关，通过对于该题目的研究与探讨，加深了我对列车轮轨接触、有限元建模、声学分析等内容的了解。为了更好地完成题目，我也加深了对于Hypermesh、Ansys和Virtual.Lab等软件的学习。同时也感谢毕设指导老师韩健老师在任务完成过程中的悉心指导与答疑解惑，帮助我理清思路，更顺利地完成了对于题目的研究。