• ISSN 0258-2724
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浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究

农兴中 李祥 刘堂辉 盛曦 王平 赵才友

农兴中, 李祥, 刘堂辉, 盛曦, 王平, 赵才友. 浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(6): 1203-1209, 1276. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180849
引用本文: 农兴中, 李祥, 刘堂辉, 盛曦, 王平, 赵才友. 浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(6): 1203-1209, 1276. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180849
NONG Xingzhong, LI Xiang, LIU Tanghui, SHENG Xi, WANG Ping, ZHAO Caiyou. Band Gap Characteristics of Vibration Isolators of Phononic Crystals under Floating Slab[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(6): 1203-1209, 1276. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180849
Citation: NONG Xingzhong, LI Xiang, LIU Tanghui, SHENG Xi, WANG Ping, ZHAO Caiyou. Band Gap Characteristics of Vibration Isolators of Phononic Crystals under Floating Slab[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(6): 1203-1209, 1276. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180849

浮置板下声子晶体隔振器带隙特性研究

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180849
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2016YFE0205200);国家杰出青年科学基金资助项目(51425804);青年科学基金资助项目(51508479);四川省重点研发项目基金资助项目(2017GZ0373)
详细信息
    作者简介:

    农兴中(1970—),男,教授级高级工程师,研究方向为轨道交通结构工程,E-mail:Nongxingzhong@dtsjy.com

    通讯作者:

    王平(1969—),男,教授,博士,研究方向为高速重载轨道结构及轨道动力学,E-mail:wping@home.swjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TU112.596

Band Gap Characteristics of Vibration Isolators of Phononic Crystals under Floating Slab

  • 摘要: 为了提升浮置板轨道的减振效果,阻碍浮置板垂向振动能量向轨下基底的传播,提出了一种基于声子晶体局域共振机理的浮置板轨道隔振器. 运用有限元方法研究了声子晶体隔振器的局域共振带隙特性,并验证了带隙频率范围内声子晶体隔振器对振动的抑制作用;计算了声子晶体隔振器的垂向刚度,建立了三维声子晶体隔振器浮置板轨道有限元模型;计算了整体结构的力传递率与基础加速度响应,并与传统钢弹簧浮置板的计算结果进行了对比. 研究结果表明,声子晶体隔振器存在声子晶体局域共振带隙,对50~150 Hz频带内的振动有抑制作用;声子晶体隔振器与传统钢弹簧垂向静刚度相近,均为6.0 kN/mm;保留了钢弹簧浮置板轨道的低固有频率隔振性能,并且在50~120 Hz频带具有带隙抑制特性,在51 Hz附近力传递率可减小10 dB左右;基础加速度响应在51~150 Hz频带内明显小于普通钢弹簧浮置板轨道,其中51~60 Hz频带内基础加速度相比钢弹簧浮置板轨道减小30%左右. 因此声子晶体隔振器有助于提高浮置板轨道的减振性能.

     

  • 图 1  声子晶体隔振器浮置板轨道结构示意

    Figure 1.  Schematic diagram of the floating slab track with vibration isolators of phononic crystals

    图 2  声子晶体隔振器结构

    Figure 2.  Vibtration isolator structure of phononic crystals

    图 3  声子晶体隔振器能带结构

    Figure 3.  Band structure of vibration isolators of phononic crystals

    图 4  声子晶体隔振器前10阶导波模态

    Figure 4.  First 10th guided wave modal of isolators

    图 5  振动方向为垂向的声子晶体隔振器能带结构

    Figure 5.  Band structure of isolators withvibration in the vertical direction

    图 6  第一带隙起始频率共振模态和截止频率共振模态

    Figure 6.  Resonance modes at start frequency andcut-off frequeny of the first bandgap

    图 7  声子晶体隔振器传输特性有限元计算模型

    Figure 7.  Finite element model fortransmission characteristics of isolators

    图 8  声子晶体隔振器频响函数

    Figure 8.  Frequency response function of isolators

    图 9  声子晶体隔振器浮置板轨道三维轨道模型

    Figure 9.  Three-dimensional floating slab track with isolators

    图 10  有限元模型网格

    Figure 10.  Finite element meshing of the model

    图 11  力传递率计算结果

    Figure 11.  Calculation results of force transmissibility

    图 12  考虑基础参振的整体计算模型

    Figure 12.  Overall calculation model with base vibration

    图 13  下部基础振动加速度时频域计算结果

    Figure 13.  Frequency-domain results of the vibration acceleration for lower base

    表  1  声子晶体隔振器元胞部分参数

    Table  1.   Some parameters related to vibtration isolators and its phononic crystal cell

    项目参数取值/mm 参数取值/mm
    几何参数a110 a210
    a310 a470
    b15 b210
    b370
    项目部件密度/(kg•m−3弹性模量/MPa泊松比阻尼损耗
    因子
    材料参数基体外壳2 70070 0000.300
    钢散射体7 810216 0000.300
    橡胶垫层1 300130.470.50
    软材料包
    覆层
    1 30060.470.05
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    表  2  模型计算参数

    Table  2.   Model calculation parameters

    轨道部件参数数值
    钢轨钢轨截面CHN60
    弹性模量/GPa210
    密度/(kg•m−37 850
    泊松比0.3
    轨下垫层尺寸(长/宽/高)/m0.15/0.15/0.02
    间距/m0.625
    弹性模量/MPa44
    阻尼损耗因子0.25
    密度/(kg•m−31 300
    泊松比0.47
    浮置板尺寸(长/宽/高)/m5.00/3.20/0.35
    弹性模量/GPa35
    阻尼损耗因子0.05
    密度/(kg•m−32 500
    泊松比0.20
    声子晶体隔振器几何和材料参数表2-1图2-2
    间距/m1.875
    钢弹簧隔振器垂向刚度/(kN•mm−16.0
    阻尼损耗因子0.5
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    表  3  仰拱部件计算参数

    Table  3.   Calculation parameters of invert components

    参数数值
    尺寸(长/宽/高)/m5.000/3.200/0.165
    弹性模量/GPa35
    下部支撑刚度/(N•m−15×1010
    密度/(kg•m−32 500
    泊松比0.20
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  • 夏禾,曹艳梅. 轨道交通引起的环境振动问题[J]. 铁道科学与工程学报,2004,1(1): 44-51. doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2004.01.008

    XIA He, CAO Yanmei. Environmental vibration caused by rail transit[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2004, 1(1): 44-51. doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2004.01.008
    闫维明,聂晗,任珉,等. 地铁交通引起地面振动的实测与分析[J]. 铁道科学与工程学报,2006,3(2): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2006.02.001

    YAN Weiming, NIE Wei, REN Wei, et al. Measurement and analysis of ground vibration caused by subway traffic[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2006, 3(2): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1672-7029.2006.02.001
    British Standards Institution. Evaluation of human exposure tovibration in buildings (1 to 8 Hz): BS6472: 1992[S]. London: British Standards Institution, 1992.
    British Standards Institution. Guide to measurement and evaluation of human exposure to whole body mechanical vibration and repeated shock: BS6841: 1987[S]. London: British Standards Institution, 1987.
    孙晓静,刘维宁,张宝才. 浮置板轨道结构在城市轨道交通减振降噪上的应用[J]. 中国安全科学学报,2005,15(8): 65-69. doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2005.08.016

    SUN Xiaojing, LIU Weining, ZHANG Baocai. Application of floating slab track structure in vibration reduction and noise reduction of urban rail transit[J]. Chinese Journal of Safety Science, 2005, 15(8): 65-69. doi: 10.3969/j.issn.1003-3033.2005.08.016
    KUSHWAHA M S. Acoustic band structure of periodicelastic composites[J]. Physical Review Letter, 1993, 17: 2022-2025.
    KOO G H, PARK Y S. Vibration reduction by using periodic supports in a piping system[J]. Journal of Sound and Vibration, 1998, 210(1): 53-68. doi: 10.1006/jsvi.1997.1292
    SHENG Ping, ZHANG X X, LIU Z, et al. Locally resonant sonic materials[J]. Science, 2003, 338(1/2/3/4): 201-205.
    YU Dianlong, LIU Yaozong, ZHAO Honggang, et al. Flexural vibration band gaps in Euler-Bernoulli beams with locally resonant structures with two degrees of freedom[J]. Physical Review B, 2006, 73(6): 064301-1-064301-5.
    邢俊. 基于声子晶体的地铁轨道弹性垫层波阻单元设计研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.
    郁殿龙. 基于声子晶体理论的梁板类周期结构振动带隙特性研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2006.
    袁俊. 地铁浮置板轨道结构减振研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008.
    程祖依. 弹性动力学基础[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1989: 264-266
    温激鸿,王刚,刘耀宗,等. 周期弹簧振子结构振动带隙及隔振特性研究[J]. 机械工程学报,2005,41(2): 205-209. doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2005.02.040

    WEN Jihong, WANG Gang, LIU Yaozong, et al. Study on vibration band gap and vibration isolation characteristics of periodic spring oscillator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(2): 205-209. doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2005.02.040
    肖伟. 声子晶体型周期复合结构禁带特性研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2007.
    温激鸿. 声子晶体振动带隙及减振特性研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2005.
    朱龙翔,王悦民,宗侣,等. 基于模态分析方法的管道导波频散曲线计算[J]. 海军工程大学学报,2014(6): 64-68.

    ZHU Longxiang, WANG Yuemin, ZONG Lü, et al. Calculation of dispersion curves of pipeline guide waves based on modal analysis method[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2014(6): 64-68.
    张宏亮. 隧道内钢弹簧浮置板轨道结构振动特性及其对环境影响的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2007.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-17
  • 修回日期:  2018-12-28
  • 网络出版日期:  2019-01-04
  • 刊出日期:  2019-12-01

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