本发明属于轨道交通桥梁减振降噪，具体涉及一种基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法。
背景技术：
1、随着高速铁路网的全面铺开和高铁桥梁的迅猛发展，人们的交通出行得到了极大的便利，但列车过桥时引发的桥梁结构振动噪声问题也日渐突出，愈发受到关注。
2、然而桥梁结构的复杂性和多样性对于习惯采用单一计算方法研究者们无疑是一个巨大的挑战，而目前轨道交通桥梁大部分具有宽频特性，即涉及到低频和中高频噪声的计算。因此如何选取既能满足计算精度又能降低计算工作量的计算方法，是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本发明提供了一种基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，解决了现有桥梁结构声振计算时存在高精度计算和低计算工作量不能同时满足的问题。
2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，包括以下步骤：
3、s1、基于有限元法和边界元法，选取有限元模型和边界元模型的网格尺寸，并确定边界元计算的上限截止频率；
4、s2、基于统计能量分析法，将桥梁结构划分为多个子系统，并计算总的统计能量分析矩阵和各子系统的模态数，根据模态数确定统计能量分析的下限起始频率；
5、s3、基于上限截止频率和下限起始频率，确定分界频率；
6、s4、基于有限元模型的网格尺寸，将桥梁相关参数输入至有限元模型中，得到桥梁结构的桥梁有限元模型，并通过桥梁有限元模型计算列车过桥时全频段范围内的振动响应；
7、s5、基于边界元模型的网格尺寸构建桥梁结构的桥梁边界元模型，并将振动响应输入至桥梁边界元模型中，计算列车过桥时分界频率以下范围内的声学响应；
8、s6、基于总的统计能量分析矩阵，建立桥梁结构的桥梁统计能量分析模型，并通过桥梁统计能量分析模型进行统计能量分析，计算分界频率以上范围内的声学响应；
9、s7、将分界频率以下范围内的声学响应、分界频率以上范围内的声学响应以及全频段范围内的振动响应共同作为钢混组合梁的声振计算结果。
10、进一步地，所述步骤s1的具体步骤为：
11、s11、基于有限元法，构建有限元模型的结构多自由度运动微分方程；
12、s12、计算有限元模型和边界元模型的最大单元尺寸；
13、s13、基于预测精度和计算效率，选取边界元模型的上限截止频率；
14、s14、基于最大单元尺寸和上限截止频率，选取有限元模型和边界元模型的网格尺寸。
15、进一步地，所述步骤s11中结构多自由度运动微分方程的表达式为：
16、
17、其中，m、c和k分别表示结构的质量、阻尼和刚度矩阵，和x分别表示加速度、速度和位移向量，f表示外荷载向量。
18、进一步地，所述步骤s12中最大单元尺寸的计算公式为：
19、
20、其中，δd表示有限元模型的最大单元尺寸，δd'表示边界元模型的最大单元尺寸，λmin表示最小振动波长，cv表示振动波在结构中传播的波速，fu表示上限截止频率，ρ、e和μ分别表示材料的密度、弹性模量和泊松比，cs表示振动波在结构中传播的声速。
21、进一步地，所述步骤s2的具体步骤为：
22、s21、基于统计能量分析法，将桥梁结构划分为多个子系统；
23、s22、构建各子系统的功率流平衡方程；
24、s23、基于功率流平衡方程，耦合所有子系统，得到总的统计能量分析矩阵；
25、s24、计算各个子系统的模态数；
26、s25、基于模态数，确定统计能量分析的下限起始频率。
27、进一步地，所述步骤s22中功率流平衡方程的表达式为：
28、
29、其中，φm表示第m个子系统的输入功率，表示分析频带中心频率，ξm表示第m个子系统的阻尼损耗因子，em和en分别表示第m个子系统和第n个子系统的振动能量，ξmn表示第m个子系统和第n个子系统间的耦合损耗因子，n表示子系统的数量；
30、所述步骤s23中总的统计能量分析矩阵的表达式为：
31、
32、其中，φ表示输入功率的列向量，ξ表示整个系统的损耗因子矩阵，e表示振动能量的列向量；
33、所述步骤s24中模态数的计算公式为：
34、
35、其中，nm表示第m个子系统的模态数，δm表示第m个子系统的模态密度，表示分析带宽。
36、进一步地，所述桥梁相关参数包括构件尺寸、材料密度以及单元类型；所述列车过桥时需构建车辆-轨道-桥梁系统耦合模型。
37、进一步地，所述步骤s5的具体步骤为：
38、s51、选择边界元模型的声学方程，并结合green函数和neumann边界条件，得到边界元模型的常规helmholtz积分方程；
39、s52、基于边界元模型的网格尺寸，设置边界元模型的场点网格及声反射面，得到桥梁结构的桥梁边界元模型；
40、s53、将振动响应作为桥梁边界元模型的声学网格；
41、s54、基于桥梁边界元模型，计算列车过桥时分界频率以下范围内的声学响应。
42、进一步地，所述步骤s51中声学方程的表达式为：
43、
44、其中，s(·)表示空间中位置的稳态声压，κ表示空间角波数，表示拉普拉斯算子，r、θ和共同表示空间位置坐标；
45、所述步骤s51中常规helmholtz积分方程的表达式为：
46、
47、其中，gf(·)表示自由场空间green函数，m表示表面法向量，pa和pb分别表示观测位置和声源位置的场点，s-、s和s+分别表示结构的内部空间、表面和外部空间；
48、所述步骤s54中声学响应的表达式为：
49、
50、其中，s(pa)表示观测位置场点的稳态声压，pb1和pb2分别表示声源表面内外两侧的场点。
51、进一步地，所述步骤s6的具体步骤为：
52、s61、基于总的统计能量分析矩阵，建立桥梁结构的桥梁统计能量分析模型；
53、s62、通过桥梁统计能量分析模型计算桥梁结构的声辐射效率；
54、s63、计算桥梁结构的辐射声功率；
55、s64、通过声辐射效率和辐射声功率计算分界频率以上范围内的声学响应；
56、所述声辐射效率的表达式为：
57、
58、其中，σ表示声辐射效率，f表示频率，f1,1、fe和fc均表示中间变量，a和b分别表示板的长和宽，s'表示板的表面面积，d表示板的弯曲刚度，c表示声速，ρ表示板的密度，h表示板的厚度，α表示中间参数；
59、所述辐射声功率的表达式为：
60、
61、其中，wrad,i表示板i的辐射声功率，ρ0表示空气密度，σi表示板i的声辐射效率，si表示板i的表面面积，表示板i的均方速度；
62、所述声学响应的表达式为：
63、
64、其中，表示观测点的声压，d表示观测点p到桥梁的距离。
65、本发明的有益效果是：(1)提出了基于混合有限元(fem)-边界元(bem)-统计能量分析(sea)的铁路钢-混组合梁桥声振响应计算方法，通过分析出分界频率，采用有限元-边界元计算方法预测低频噪声，采用统计能量分析法预测中高频噪声，该组合分析方法有效结合了各方法的优点，实现了计算效率和精度的平衡；
66、(2)本发明可为桥梁领域内计算和预测宽频车致结构振动噪声提供技术支持。
1.一种基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s1的具体步骤为：
3.根据权利要求2所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s11中结构多自由度运动微分方程的表达式为：
4.根据权利要求2所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s12中最大单元尺寸的计算公式为：
5.根据权利要求1所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s2的具体步骤为：
6.根据权利要求5所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s22中功率流平衡方程的表达式为：
7.根据权利要求1所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述桥梁相关参数包括构件尺寸、材料密度以及单元类型；所述列车过桥时需构建车辆-轨道-桥梁系统耦合模型。
8.根据权利要求1所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s5的具体步骤为：
9.根据权利要求8所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s51中声学方程的表达式为：
10.根据权利要求1所述的基于fem-bem-sea的钢混组合梁声振计算方法，其特征在于，所述步骤s6的具体步骤为：
