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原文传递基于有限元数值模拟进行沥青路面噪声特性研究

论文题名：	基于有限元数值模拟进行沥青路面噪声特性研究
关键词：	沥青路面;噪声特性;孔隙特征;有限元模型
摘要：	目前城市人口数量逐年上涨，道路运输需求量随之提高，城市快速路、高架桥及长隧道大量涌现，与此同时也带来了愈加严重的交通噪声污染，特别是在人口密集的城市，交通噪声占据城市噪声总量的75%以上。产生交通噪声的情形主要有三种，第一种是在轮胎与路面接触时产生、第二种是由车辆自身发动机系统产生、第三种是在汽车快速行驶造成空气的湍流时产生，并且在车速超过50km/h的情况下，轮胎/路面噪声将成为交通噪声的主导因素。因此，设计降噪效果更为有效的沥青路面和研发新型路面降噪措施是非常有必要的，在此之前进行沥青路面噪声特性的研究对这两项举措的开展有着重大意义。　　本文从噪声源头入手，研究了轮胎/路面噪声的相关机理，包括其产生、增强以及传播与吸收等机理；经研究发现，轮胎/路面噪声主要分为：由轮胎振动效应引起的振动噪声、由空气泵吸效应引起的泵气噪声、以及由黏附效应产生的黏弹噪声和黏滑噪声；轮胎/路面噪声的增强机制包括：号筒效应、亥姆霍兹共振、胎体和空气共振效应等。　　采用多物理场仿真软件，基于流体纳维尔－斯托克斯（Navier-Stokes）方程与结构动力学方程建立的声-固耦合理论模型，结合“压力声学-瞬态”和“固体力学”物理场，构建了声-固耦合模型，用于在声场领域下进行流体结构耦合研究，模拟沥青路面吸声结构与声波间的相互作用；采用有限元软件，基于碰撞分析动力学以及流场的数值模拟基本原理，依据基本假设将各部件模型及路表对轮胎的激励作用进行了合理简化，构建了“道路-空气-轮胎”耦合振动噪声模型与泵气噪声模型，分别用于模拟轮胎/路面噪声中的振动噪声和泵气噪声，并且通过轮胎/路面噪声检测试验对模型的准确性进行了验证，证明了本文建立的模型及取得的研究结论可以为今后降噪路面的研究提供理论指导。　　基于多物理场仿真软件构建的声-固耦合模型，首先从孔隙率的角度进行了孔隙特征参数对沥青路面噪声特性的影响效应分析，定量的得到了孔隙率对沥青路面吸声降噪性能的影响规律；其次在孔隙率保持不变的前提下，从孔隙尺寸的角度进行了孔隙特征参数对沥青路面噪声特性的影响效应分析，定量的得到了孔隙尺寸对沥青路面吸声降噪性能的影响规律；并且经过数值模拟，计算出了不同孔隙特征参数下噪声降低值的数据，确定了低噪声沥青路面孔隙特征参数的合理取值范围。　　本文基于有限元软件构建的“道路-空气-轮胎”耦合振动噪声模型及泵气噪声模型，分析了基层弹性模量、面层弹性模量以及面层厚度等道路结构参数对沥青路面噪声特性的影响效应，定量的得到了各道路结构参数对轮胎/路面噪声的影响规律；同时分析了路表不平整度指数IRI、车速及车重等因素对沥青路面噪声特性的影响效应，定量的得到了各因素对轮胎/路面噪声的影响规律；基于弯沉等效的当量模量计算原理，将道路面层与基层依据当量弯曲刚度转换为当量单层结构，计算出道路顶部的当量回弹模量，并分析了道路整体的刚度对沥青路面噪声特性的影响效应，得出了低噪声路面当量回弹模量的合理取值范围。
作者：	杨佳昆
专业：	土木工程
导师：	郑传峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022