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用于低频隔声的类Fano共振型声学超材料设计

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复合材料学报 2024年

作者：余奇张鑫浩赵才友王平西南交通大学土木工程学院西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

由于当前铁路声屏障存在低频降噪效果差、降噪量较低及通风性能不佳的情况，本文研究创新设计了一种基于类Fano共振原理的声学超材料，旨在显著提升对低频噪声的隔绝效果。利用基于离散状态的共振散射和连续状态的背景散射之间的干扰，... 详细信息

由于当前铁路声屏障存在低频降噪效果差、降噪量较低及通风性能不佳的情况，本文研究创新设计了一种基于类Fano共振原理的声学超材料，旨在显著提升对低频噪声的隔绝效果。利用基于离散状态的共振散射和连续状态的背景散射之间的干扰，从而诱导出类Fano的非对称传输剖面。该超材料单胞为环绕型迷宫结构，将其周期性排列后得到类Fano共振的低频隔声型超材料声屏障，本结构设计为兼顾隔声效果和可通风全向性的几何形状，中空部分还能够节省成本。首先介绍了超材料单胞的几何构型以及传声理论，分析了结构参数对所提出声学超材料性能的影响，为优化其声学特性提供了重要依据。另外对超材料性能进行数值模拟与仿真分析，深入探究其声学特性，计算出结构在[20，2900]Hz时，平均声传输损失达到50dB左右。将超材料单元周期性排列嵌套在单元板内组成声屏障模型，发现超材料单元个数的增加不会影响声屏障隔声性能。最后将3D打印的声学超材料进行声学实验验证了仿真结果的准确性，为声屏障设计与工程应用提供了思路。

关键词：声学超材料 Fano共振宽频隔声铁路降噪声屏障

德标减振轨道插入损失率的理论修正方法及应用

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西南交通大学学报 2024年

作者：韦凯刘延滨王显蒲前华西南交通大学土木工程学院高速铁路线路工程教育部重点实验室

德国标准DIN V 45673-4规定了插入损失率的计算方法，能够排除线路运营条件与轨道不平顺等随机因素的干扰，高效评价轨道减振性能。为提升运算效率，该方法将轮轨系统等效简化为质量-弹簧-阻尼体系，然而其弹簧刚度并未考虑轨道抗弯刚... 详细信息

德国标准DIN V 45673-4规定了插入损失率的计算方法，能够排除线路运营条件与轨道不平顺等随机因素的干扰，高效评价轨道减振性能。为提升运算效率，该方法将轮轨系统等效简化为质量-弹簧-阻尼体系，然而其弹簧刚度并未考虑轨道抗弯刚度的贡献，因而不能准确得到实际的轮轨系统共振频率，进而也无法准确判断减振轨道的减振频带。在不降低计算效率的前提下，为进一步提高减振频带的计算精度，本文以弹性地基梁近似反映轨道实际结构尺寸与刚度特征，综合考虑弹性元件与轨道抗弯刚度对轨道刚度的贡献，以修正弹簧刚度，实现轮轨系统共振频率误差由76%大幅降低至4.9%。以减振垫浮置板轨道为例，针对我国环评要求的1～80Hz减振目标，讨论了轨道尺寸及减振动参数优化方案，研究发现单纯提高扣件损耗因子可以实现环评1～80Hz频带的整体减振，然而在30～90kN/mm扣件刚度范围内，单纯降低（单纯提高）扣件刚度仅能提高60～80Hz（30～60Hz）频带的插入损失率，但是却降低了30～60Hz（60～80Hz）的插入损失率，无法实现环评1～80Hz频带的整体减振。只有当扣件刚度提升至90kN/mm以上时，才可实现环评1～80Hz频带的整体减振，且当减振垫刚度越低或浮置板厚度越大时，所需提高的扣件刚度越大。

关键词：插入损失率弹性地基梁环境振动刚度修正扣件参数

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一种惯性式路基激振装置的研发与现场标定

铁道学报 2024年第3期46卷 184-192页

作者：崔颖辉罗强冯桂帅王腾飞中国国家铁路集团有限公司北京100844 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031

基于双轴惯性式振动电机,研制了一套模拟列车荷载作用的路基激振装置ISV400。考虑轨道及路基结构层自重荷载,利用偏心片数量N_(c)、配重块数量N_(a)与供电频率f_(in),调控简谐动载的峰-谷值差值应力σ_(d)、谷值应力σ_(v)和激振频率f_(... 详细信息

基于双轴惯性式振动电机,研制了一套模拟列车荷载作用的路基激振装置ISV400。考虑轨道及路基结构层自重荷载,利用偏心片数量N_(c)、配重块数量N_(a)与供电频率f_(in),调控简谐动载的峰-谷值差值应力σ_(d)、谷值应力σ_(v)和激振频率f_(out),开展ISV400系统现场标定试验,分析f_(out)与f_(in)关系,探究N_(c)、N_(a)组合下σ_(d)、σ_(v)随f_(out)变化规律,明确ISV400稳定工作频率区间,建立激振力估算方程,提出面向路基结构现场动测的设备参数配置方法。研究表明:f_(out)约为f_(in)的0.5倍,f_(out)低于5 Hz时电机转轴欠同步,将导致装置运行不稳定;σ_(d)、σ_(v)测试值分别高于、低于偏心质量旋转离心原理得到的理论值,且两者偏差与f_(out)正相关,f_(out)为15~25 Hz时易受共振影响;f_(out)为5~15 Hz且保持N_(a)恒定时,σ_(d)-f_(out)曲线族不受N_(c)影响,σ_(d)上限约为400 kPa,N_(c)对应的σ_(v)-f_(out)曲线族相互平行。

关键词：铁路路基惯性式振动电机激振装置标定试验激振力

基于变形的降雨后地震基覆型边坡劣化特性与机制研究

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岩土力学 2024年第6期45卷 1789-1802页

作者：何梓雷蒋关鲁冯海洲陈虹羽郭玉丰何晓龙李杰西南交通大学土木工程学院四川成都610031 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 中铁十八局集团有限公司天津300222

降雨地震多因素作用下基覆型边坡破坏模式的识别和评估具有重大工程意义。为研究降雨后地震作用下基覆型边坡的失稳演化机制,开展一组大型振动台模型试验,基于边坡土体空间变形特性和坡面位移特性识别和评估边坡的劣化模式,综合土体应力... 详细信息

降雨地震多因素作用下基覆型边坡破坏模式的识别和评估具有重大工程意义。为研究降雨后地震作用下基覆型边坡的失稳演化机制,开展一组大型振动台模型试验,基于边坡土体空间变形特性和坡面位移特性识别和评估边坡的劣化模式,综合土体应力−应变特性、渗流场特性、地震动应力分布及边坡变形特性,对降雨后地震下边坡的变形演化机制进行探讨。结果表明:(1)降雨阶段,边坡坡顶与坡脚饱和度显著升高区强度劣化显著,但整体无明显变形;地震阶段,坡顶首先滑塌失稳,进一步演化为多级滑塌的整体失稳。(2)宏观破坏具有突发特征,边坡内部土体的空间应变分布特性能更好地识别边坡塑性区扩展−贯通−失稳的演化历程。(3)基于位移残余率分析的边坡失稳演化模式与土体空间应变演化特性结果吻合,相较于累积位移量对边坡损伤状态的识别更准确。(4)含水率变化影响土体力学特征,降雨后的渗流场分布影响边坡整体力学特性及地震动应力的传递及空间分布,土体力学特性和动应力空间特征决定边坡的破坏模式。

关键词：基覆型边坡振动台试验降雨变形空间特性劣化机制稳定性评估

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市域铁路装配式无砟轨道结构关键参数研究

铁道工程学报 2024年第2期41卷 38-43页

作者：李秋义杨荣山任西冲杨希兰才昊林蔚中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031

研究目的:为解决市域铁路现浇枕式无砟轨道结构施工周期长、质量波动大等问题,结合国内各类预制板式无砟轨道应用经验,提出一种适用于市域铁路的新型装配式无砟轨道结构设计方案,建立了可考虑无砟轨道各部件复杂相互作用关系的静、动力... 详细信息

研究目的:为解决市域铁路现浇枕式无砟轨道结构施工周期长、质量波动大等问题,结合国内各类预制板式无砟轨道应用经验,提出一种适用于市域铁路的新型装配式无砟轨道结构设计方案,建立了可考虑无砟轨道各部件复杂相互作用关系的静、动力学分析模型,研究了轨道板厚度、限位凸台型式及尺寸、限位凸台弹性垫板刚度等参数对轨道结构受力性能的影响,以及轨道结构在160 km/h行车速度下的动力特性。研究结论:(1)综合考虑结构受力情况和建造成本控制,建议轨道板厚度取180~220 mm;限位结构采用“矩形+圆形倒角”凸台方案,长度取400~600 mm,宽度取400~600 mm;凸台弹性垫板刚度取8.4~9.6 kN/mm;(2)列车以160 km/h速度运行时车辆、轨道结构动力特性良好,力学指标均满足规范要求;(3)研究结果可为优化市域铁路装配式无砟轨道结构型式和提升线路质量提供参考。

关键词：市域铁路装配式轨道静力学模型参数分析动力学响应

基于广义可靠指标相对安全率的高土石坝坝坡稳定设计安全判据

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中国科学：技术科学 2024年第3期54卷 501-514页

作者：李典庆周强曹子君武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室武汉430072 武汉大学工程风险与防灾研究所武汉430072 长江勘测规划设计研究有限责任公司武汉430010 西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室智慧城市与交通学院成都611756

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响... 详细信息

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响,亟需发展对应的可靠度设计方法.可靠度设计中采用目标可靠度作为安全判据,因此研究高土石坝的目标可靠度是发展可靠度设计方法的重要前提.广义可靠指标相对安全率搭建了确定性设计安全判据和可靠度设计安全判据之间的桥梁,本文将广义可靠指标相对安全率应用于超过200 m高土石坝坝坡稳定安全判据研究,验证高土石坝坝坡稳定确定性设计与可靠度设计安全判据之间的等价关系,并提出了软岩土石坝和硬岩土石坝坝坡稳定可靠度控制标准.结果发现,《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199-2013)中规定的硬岩堆石坝的目标可靠度符合所标定目标可靠度要求,建议提高软岩堆石坝的目标可靠度.

关键词：广义可靠指标相对安全率可靠度设计安全判据高土石坝坝坡稳定

基于声学黑洞波动控制技术的槽型轨动力吸振器减振降噪特性研究

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振动与冲击 2024年第6期43卷 206-215页

作者：师多佳赵才友易强张明凯高鑫王平西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031 中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所北京100044

轨道交通引起的环境振动噪声问题持续增加,即使目前具有多种控制效果良好的减振降噪措施,但仍有望做进一步的提升。在该研究中提出了一种新型的槽型轨道动力吸振器,将声学黑洞波动控制技术与动力吸振原理相结合。该吸振器设计的目标是... 详细信息

轨道交通引起的环境振动噪声问题持续增加,即使目前具有多种控制效果良好的减振降噪措施,但仍有望做进一步的提升。在该研究中提出了一种新型的槽型轨道动力吸振器,将声学黑洞波动控制技术与动力吸振原理相结合。该吸振器设计的目标是保证主结构强度与刚度的前提下,采用附加的声学黑洞阻尼振子作为吸能单元,对主结构的振动能量进行传递、吸收与耗散。为了研究声学黑洞型动力吸振器对槽型轨道振动特性和声辐射特性的影响,利用仿真分析对不同类型的动力吸振器下槽型轨道的位移导纳和振动衰减率进行了评估;采用滚动噪声预测模型计算分析了声学黑洞型动力吸振器的降噪效果并探究了其参数对轮轨振动噪声的影响规律。结果表明:槽型轨在800~1000 Hz频段内的一阶pinned-pinned在未采取措施的情况下振动响应显著,振动衰减率仅为0.68 dB/m,在安装了声学黑洞型动力吸振器之后轨道结构的振动衰减率上升到1.80 dB/m,提高率可达265%。

关键词：声学黑洞动力吸振器振动噪声控制有限元分析边界元分析

列车荷载作用下无砟轨道层间非吻合接触损伤机理

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铁道标准设计 2024年

作者：鄢庆祺阮舒敏徐天赐刘卫星王志璇赵坪锐西南交通大学土木工程学院西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

基于混凝土应变率效应现象与有限元理论，建立双块式无砟轨道有限元模型，引入HJC模型和侵蚀失效准则，探究无砟轨道在层间非吻合接触时列车荷载作用下的层间损伤演化过程和破坏机理，并选取道床板体积损失率评价不同参数对无砟轨道层... 详细信息

基于混凝土应变率效应现象与有限元理论，建立双块式无砟轨道有限元模型，引入HJC模型和侵蚀失效准则，探究无砟轨道在层间非吻合接触时列车荷载作用下的层间损伤演化过程和破坏机理，并选取道床板体积损失率评价不同参数对无砟轨道层间损伤演化的影响。结果表明：层间非吻合接触的无砟轨道在列车动荷载作用下，失效单元会在道床板边缘和中部不断产生并由中部向四周逐渐扩展，最终贯通道床板断面，形成无砟轨道层间损伤破坏，破坏机理为受压破坏；初始吻合度的减小、轴重和车速的增加均会加快无砟轨道层间损伤；初始吻合度对轨道结构的层间脱空损伤扩展影响最大，初始吻合度为0.2和0.7的道床板体积损失率分别为1.56%和0.17%，相差9倍左右，列车速度影响次之（2.73倍），列车轴重影响最小（1.34倍）。

关键词：无砟轨道应变率效应 HJC本构模型非吻合接触层间损伤机理

温升作用下CRTSⅡ型板宽窄接缝受力及损伤分析

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西南交通大学学报 2024年第2期59卷 273-280页

作者：刘笑凯刘学毅肖杰灵董佳佳西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室四川成都610031 西南交通大学土木工程学院四川成都610031 中北大学环境与安全工程学院山西太原030051

为研究宽窄接缝在温升作用下的受力和损伤,根据混凝土塑性损伤理论和内聚力理论,建立考虑新旧混凝土界面的宽窄接缝细部的有限元模型;计算不同温升条件下的宽窄接缝应力和损伤因子,并分析宽窄接缝强度和窄接缝宽度的影响.研究结果表明:... 详细信息

为研究宽窄接缝在温升作用下的受力和损伤,根据混凝土塑性损伤理论和内聚力理论,建立考虑新旧混凝土界面的宽窄接缝细部的有限元模型;计算不同温升条件下的宽窄接缝应力和损伤因子,并分析宽窄接缝强度和窄接缝宽度的影响.研究结果表明:窄接缝挤碎是一种渐变受压损伤,宽、窄接缝交界处断裂是一种脆性受拉损伤;与宽、窄接缝交界处断裂相比,窄接缝挤碎对结构受力影响更大;宽窄接缝尺寸不均匀导致宽、窄接缝交界处垂向受拉,这是宽窄接缝产生损伤的主要原因;提高宽窄接缝的混凝土强度可有效降低垂向拉应力和受拉损伤,但对纵向应力和受压损伤影响较小;为改善受力并降低损伤,建议宽窄接缝混凝土与轨道板等强,并且宽窄接缝上下等宽.

关键词：无砟轨道 CRTSⅡ型板式轨道宽窄接缝