1．目的及意义
1.1. 目的及意义
随着我国经济的飞速发展和社会的日益进步，高速铁路因为具有全封闭、运能大、高效率、能耗低、高舒适性、安全系数高、低污染、不受气候影响等特点，在我国得到了飞速的发展。截至到2015年，全国铁律营业里程超过了12万千米，居世界第二位，其中高铁1.9万千米，居世界第一位，超过世界高铁营业里程的一半，是当之无愧的世界第一高铁大国，以高速铁路为主骨架的快速铁路网基本建成，总规模达4万千米以上[1]。
并且大量的资料表面：强的噪声会引起耳部不适，超过115dB的噪声可导致耳聋。在80dB以上的噪声环境中生活，造成耳聋者可达到50%。噪声还会使工作效率降低、损害型血管、损害神经系统、损害女性生理机能、危害儿童身心健康、损害视力及干扰休息和睡眠。随着生活水平的提高，人们对环境舒适度的要求越来越高，高速铁路和城市轨道交通带来的噪声问题将越来越引起人们的关注[2]。
但是不管是现场测试，还是实验台测试都需要耗费大量的人力和财力，所以实现计算机仿真很有意义。
对于轮轨的研究，如果单纯依靠传统的方法，已经不能满足复杂问题的需要。为了研究和解决此类问题，越来越多的相关企事业单位、高等院校、研究机构等把动力学仿真作为其研究工作中的重要一环。而源于德宇航（DLR）的SIMAPCK软件在轨道交通领域越来越成为一种重要的工具。SIAMPACK是专家级机械系统动力学性能分析软件，利用该软件可以描述并预测复杂机械系统的运动学和动力学性能，可以分析系统的振动特性，受力状况以及零部件的运动位移、速度、加速度等。其高效的建模、快速稳定的解算器、优秀的二次开发功能等备受用户信赖，在国际上也享有很高的声誉[3]。
SIMAPCK软件在国内外、铁路行业应用非常广泛，不仅可以对客车（包含动车组）、货车、机车等车辆进行仿真模型，还可以对受电弓、线路、轮轨磨耗、车轮编疤，弹性扣件等进行模拟[3]。
SIMPACK特点在于通过采用车轮和钢轨动力学约束模型获得有效的计算结果，而不是传统的接触-阻尼系统来计算得到，优点在于可以有效的考虑轮轨间的高频接触振动；并提供了很多的摩擦力模型，最常用的是kaller的简化非线性滚动接触理论；它带有一个高度自动化并经过大量试验的轮轨接触线性化模型，即等效线性化，同时它也提供利用等效锥度和其他参数的方法来建立线性化模型的选项；带有丰富的车辆建模元素数据库；对于线路的定义，采用的是首先进行线路定义，然后和不平顺进行叠加[3]。
1.2. 国内外研究现状
西南交通大学、北京交通大学、铁道科学研究院、同济大学及华东交通大学等在轮轨关系、轮轨相互作用、车辆．轨道耦合动力学及轨道结构振动分析方面做了大量的研究工作，取得了一些成果。西南交通大学国家牵引动力重点实验室，运用车辆-轨道耦合动力学理论、噪声辐射与传播理论，建立了轮轨噪声预测模型，采用Hertz非线性弹性接触，实现了在同一个模型中同时对轮轨冲击噪声与轮轨滚动噪声的综合预测。
刘林芽和雷晓燕在书中对于轨道噪声的理论进行了深入总结，建立了完整的轮轨噪声理论模型，通过进行了Matlab仿真，然后和实验结果做对比，进行验证，取得了较好的效果。
我国对轮轨曲线尖叫噪声的研究相对较晚，西南交通大学陈光雄教授在第九届轮轨噪声国际会议(International Workshop on Railway Noise，简称IWRN)提出轮轨曲线尖叫噪声的有限元复特征值分析，通过对轮轨接触模型的稳定性分析，得出摩擦系数，弹簧刚度等参数对轮轨曲线尖叫噪声产生趋势的影响。这种分析方法的提出，代表了曲线尖叫噪声研究的较高水平，能够很好地指导轮轨曲线尖叫噪声的研究[2]。
对于SIMPACK的应用，目前，我国这方面的资料较少，但也有一些先驱开始了尝试。黄安宁[4]等人利用SIMPACK轮轨模块对某型轨道车辆进行整体建模。通过模拟测量（1）不同速度通过直线轨道线路而获得车辆的线性和非线性临界速度。（2）使轨道车辆通过不同的曲线线路而获得其曲线通过能力。分析了轨道车辆在不同速度下的平稳性指标。同时采用有限元分析软件ANSYS获得车体的有限元模态文件，输入SIMPACK进行联合调试，获得了刚柔耦合的多体动力学模型，并获得车体刚柔耦合的动态性能。刘波[5]等人还有杨丹丹[6]等人也做了类似的实验。秦玉冬[7]等人则利用相似的模型研究了扁疤车轮轮轨冲击力学特性。陈龙[8]等人运用SIMPACK的轮轨模块，建立城市轨道车辆的多体动力学模型，对车辆在不同速度和不同轨道不平顺激励条件下的脱轨安全性进行分析。
对于轨道噪声试验，Xiaogang Liu[9]等人利用滚动接触双盘试验台的实测数据和现场实测数据，建立了车轮噪声振动幅值和声压级的精确数学模型。利用该模型进行了基于能量的分析，确定了啸叫过程中蠕变和振动幅值的稳态极限环幅值的闭合解。该解析解与全非线性蠕变曲线的数值解有较好的对比。预测的啸叫声级趋势也与不同滚压速度下(与冲角成正比)试验台记录的尖叫声级趋势进行了比较。此外，还针对300m急弯上的许多车轮尖叫声现场记录进行了进一步验证。解析解提供了为什么尖叫噪声的声压级随着横向速度(或攻角)的增加以及振幅如何受到关键尖叫参数的影响，包括模态阻尼的详细研究。最后，利用有效模型对噪声降低6分贝的方法进行了参数化研究。
张艳[10]在文中，以长春高架轻轨４号线为例进行研究分析，并且得出啸叫声出现频率为2000~5000Hz， 并且，通过现场观察钢轨光带情况结合理论分析可知，出现钢轨光带的地段一般也是啸叫产生的地段。
摩擦改进剂对于轨道啸叫有很好的抑制作用，Xiaogang Liu[11]采用水基和油基摩擦改进剂，测量了不同轧制速度、冲角下的接触粘附比和车轮尖声声压级。结果表明，在添加摩擦改进剂后，与不添加摩擦改进剂的干燥试样相比，侧向力和粘附比均显著降低，这种减少对于油基摩擦改进剂尤其明显。同时发现摩擦蠕变曲线随滚动速度的增加而增大，与干态相反。摩擦改进剂可消除或大大降低蠕变曲线的负斜率。但是，并不是所有的情况下都消除了尖叫，在大滚动速度和冲角下，尖叫的声压级仍然很高。在摩擦改进剂的作用下，声压级随着攻角和滚动速度的增加而增加，其方式与干燥(无摩擦改进剂)情况类似。在某些情况下，当使用油基摩擦改进剂时，车轮的噪声变得更大，这可能是由于较大攻角下的高横向速度导致温度升高，导致摩擦系数相应增大，使瞬时运动曲线上移，瞬时运动曲线仍为负斜率。
在[12]一文中对当相对湿度增加时，就会发生尖叫声进行了验证，同时提出了一种新的方法（采用全惠斯通桥组态，分别从叶弹簧外、内应变测量中求解法向力F和侧向力F。）来同时测量侧向力和法向力，以确定摩擦蠕变曲线。为了研究相对湿度对声表面曲线和摩擦面曲线的影响，分别在50%、70%和90%的控制条件下，对试验台声罩内的相对湿度进行了测量。试验结果表明，随着相对湿度的增加，侧向粘附比略有降低，在较高的相对湿度下，侧向粘附比更有可能出现尖声。
在欧美国家，轮轨噪声早已引起各国政府、铁路运输部门、高等院校的高度重视，政府发布的环境噪声绿皮书都对铁路噪声给出了充分的叙述。迄今为止，已召开了十二届轮轨噪声国际会议（International Workshop on Railway Noise，即：IWRN）。
自1988年以来，欧洲铁路研究所（European Railway Institute，即：ERRI）C163委员组织有关人员开发了一个预测轮轨噪声水平的力学模型及软件TWINS（Track-Wheel Interaction Noise Software）。这个模型软件已得到大量现场试验的验证，在欧洲成为预测轮轨噪声水平、开发减振降噪产品、指导新线设计和旧线改造的主要理论工具，但其改进工作还在继续进行。
Ａｎｄｒéｋｏｆｍｅｈｌ[13]认为产生啸叫声的原因主要是内侧轨轨头的粘滑效应，其次是轮缘和外侧轨道边缘相互接触。这些形式的摩擦引起所有车轮振动。同时在制动的时候也会出现相似的现象，除了产生噪声，还会导致摩擦件磨损。这种摩擦会导致诸如钢轨顶面形成短波波纹，以及轮缘和钢轨边缘磨损这样的后果。也对通过使用“摩擦改进剂”来降低啸叫具体方案进行了分析。
对于啸叫噪声理论，大多数人认为摩擦特性的负斜率作是不稳定性的来源，而另一些人认为，由于法向和切向动力学之间的耦合，在恒定摩擦的情况下也会产生尖叫声[14]。而在[15]而也同样的得出了类似的结论。
Monk-Steel A D [16]强调一个可靠的曲线噪声模型除了通常认为是不稳定振动源的横向蠕变外，还必须考虑纵向蠕变的存在。在车辆动力学计算中，还应考虑在出现尖叫时平均横向蠕变力减小的情况。在他的研究结果中表明，通过在轮轨界面施加或允许纵向蠕变的发展，可以有效地抑制由横向蠕变引起的铁路曲线噪声。
在实际生活中，随着相对湿度的增加，可能会发生尖叫。而[12]对此做了验证，同时提出了一种新的方法（采用全惠斯通桥组态，分别从叶弹簧外、内应变测量中求解法向力F和侧向力F。）来同时测量侧向力和法向力，以确定摩擦蠕变曲线。为了研究相对湿度对声表面曲线和摩擦面曲线的影响，分别在50%、70%和90%的控制条件下，对试验台声罩内的相对湿度进行了测量。试验结果表明，随着相对湿度的增加，侧向粘附比略有降低，在较高的相对湿度下，侧向粘附比更有可能出现尖声。模型分析表明，临界蠕变随相对湿度的增大而减小，即迎角较低时为负阻尼。
{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

2.1设计的基本内容

（1）深入学习和研究Simpack 软件，利用轮轨模块建立合适于本试验台（图1）的轮轨三维模型。

（2）利用上面的模型对其动力学特性进行仿真分析（例如不同转速、冲角下的力和振动）

（3）建立完整的轮轨模型，然后分析悬架对垂向振动的影响，车轴扭振和垂向振动耦合之间的关系。

图 1 轨道噪声实验台

2.2设计目标

希望能够准确的建立该实验台的三位模型，并对其进行动力学特性仿真分析，然后与实际的实验参数进行对比，得出模拟仿真与实际实验的区别，力求将两者之间的差距降到最低。

2.3拟采用的技术方案及措施

首先，建立轮对模型，在建立轮对模型的时候需要涉及很多的参数，例如轮轨型面、轨距等。采用Rail Pair和Track Pair的方式分别定义轮轨关系和轮对于轨道之间的关系。

然后，在铁路机车车辆动力学仿真中线路模型是非常重要的，一般分为直线和曲线。完整的曲线是由直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线组成。还有也要设置轨道不平顺性。轨道的不平顺性。一般来说分为两类：一类是Track-related（与路相关），分为Lateral、Vertical、Roll和Gauge，即：横向、垂向、侧滚和轨距四项；另一类是Rail-related（与轨相关），分为Lateral left/right、Vertical left/right、Roll left/right，即：左轨/右轨横向、左轨/右轨垂向、左轨/右轨侧滚。