MÔ PHỎNG TIẾNG ỒN CỦA XE LỬA ĐỂ CÓ ĐƯỢC CÁC CHUYẾN DU LỊCH YÊN TĨNH

Khi bạn còn nhỏ, bạn muốn nghe từng tiếng va chạm, tiếng kêu liên tục trên một con tàu đang chạy về phía trước đến cuộc phiêu lưu xa xôi với những người bạn.

Tuy nhiên, khi bạn đã trưởng thành, khi đi công tác với ông chủ của bạn, bạn lại muốn có sự im lặng trong toa tàu. Và đừng bắt tôi phải nói về việc những toa tàu ồn ào như thế nào. Các kỹ sư rõ ràng cần phải làm gì đó để khắc phục vấn đề này.

Trevor Edwards, quản lý phát triển kinh doanh toàn cầu của ESI Group cho biết: “Việc quan tâm đến tiếng ồn của phương tiện là rất quan trọng đối với của khách hàng. “Các nhà thiết kế đường sắt xem tiếng ồn trên phương tiện dưới dạng mục tiêu về âm thanh tại các điểm quan trọng trong vận chuyển. Việc quan tâm vào tiếng ồn bên ngoài đôi khi có thể được luật pháp hóa. Ví dụ, luật hạn chế tiếng ồn qua đường (pass-by-noise – PBN) của đường sắt hoặc các phương tiện khác đi qua gần nhà người dân.”

Kỹ sư có công việc được phân riêng cho họ là làm sao để hạn chế tiếng ồn càng nhiều càng tốt. Thật không may, phần lớn tiếng ồn là từ đường ray xe lửa và từ môi trường, vượt quá sự kiểm soát của các nhà thiết kế tàu.

Điều này làm cho việc sử dụng các công cụ mô phỏng như ESI VA One trở nên quan trọng hơn để giúp tối ưu hóa mọi thứ bạn có thể để đảm bảo sự thoải mái của tài xế, nhà vận hành, hành khách và người dân trong khi họ đang ngủ.

Trong mỗi chuyến tàu, có nhiều nguồn phát ra tiếng ồn. Các kỹ sư cần đánh giá mức độ ảnh hưởng của những yếu tố này đến sự thoải mái của khách trên tàu. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Các kỹ sư đo tiếng ồn như thế nào?

Các nguồn chính của tiếng ồn trên xe lửa bao gồm thiết bị, tiếng ồn khi xe lửa lăn, khí động học và giá chuyển hướng. Để có được một thiết kế âm thanh hiệu quả, mỗi nguồn tiếng ồn cần được đánh giá và đặt mức hạn chế.

Một số công cụ trong ESI VA One có thể giúp các kỹ sư thiết kế các phương tiện giảm tiếng ồn. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Robert Fiedler, chuyên gia về âm rung tại tập đoàn ESI, lưu ý rằng tiếng ồn tạo ra từ sự méo mó và gồ ghề của bề mặt bánh xe/đường ray đặc biệt đáng chú ý. Đúng là các kỹ sư không thể kiểm soát đường ray, nhưng họ có thể thiết kế các bánh xe, đường ray và các lắp ráp của họ theo cách  mà làm giảm rung động. Tuy nhiên, trước tiên họ cần phải đo hoặc mô tả được âm thanh.

“Bạn có thể lí giải cho tiếng ồn được phát ra bằng cách đo nó bằng ăng-ten âm thanh, bao gồm nhiều micro,” Fiedler nói. “Nhưng điều này rất khó vì bạn cần một thiết bị đo lường đắt tiền và thật khó khăn để tách tiếng ồn từ thiết bị và tiếng ồn từ môi trường trong quá trình ghi âm.”

Một phương pháp khác Fiedler đề xuất là ghi lại tiếng ồn bằng cách sử dụng một bộ micrô gần dưới phần giữa của xe. Điều này có thể được thực hiện dễ dàng hơn, nhưng cũng sẽ dẫn đến việc thu được tiếng ồn từ cả thiết bị và môi trường.

“Cách tiếp cận thứ ba là mô phỏng đặc trưng năng lượng tỏa ra từ tiếng ồn bánh xe/đường ray,” Fiedler nói thêm. “Tôi đã sử dụng phương pháp Remington. Nó là cách tiếp cận phân tích, bạn sẽ chia tách đường ray và bánh xe thành những lưới vuông với quán tính, khối lượng và các bộ phận lò xo. Hoặc bạn có thể sử dụng phương pháp FEM/BEM (phương pháp phần tử hữu hạn/phương pháp phần tử ranh giới).”

Nói cách khác, để mô tả các thành phần của tiếng ồn một cách nhanh chóng, chính xác và hợp lý, các kỹ sư cần phải dùng phần mềm phân tích thiết kế (computer-aided engineering / CAE) có khả năng thực hiện mô phỏng tiếng ồn, độ rung và độ cứng (NVH).

Sergej Italjancev – Chuyên gia thiết kế CAD, thuộc Dự án Cơ khí của Škoda Transportation giải thích rằng lần đầu tiên khi họ thiết kế tàu điện ngầm cho một đơn đặt hàng, họ đã không thể hoàn thành tiêu chuẩn về tiếng ồn của hồ sơ dự thầu. Tuy nhiên, sau khi áp dụng VA One và thay đổi thiết kế phần mềm, họ đã thắng thầu.

Hiện nay, họ đang cung cấp tám loại tàu với mỗi loại gồm 6 toa xe.

Làm thế nào để mô phỏng NVH của một bề mặt bánh xe/đường ray

Khi sử dụng mô phỏng, các kỹ sư có thể tối ưu hóa các thiết kế thành phần đường ray để giảm sự rung động và lan truyền tiếng ồn trong và ngoài tàu.

Để mô phỏng những tiếng ồn này, họ trước tiên phải mô tả sự tương tác giữa bánh xe và đường sắt.

“Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tiếng ồn có thể là do sự gồ ghề nhỏ trên bề mặt bánh xe và đường ray khiến cả hai rung động”, Fiedler nói

Sơ đồ đại diện của tương tác bánh xe/ đường ray. Những sai sót này bắt đầu làm gia tăng tiếng ồn. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Nói cách khác, khi bánh xe di chuyển trên đường ray, chúng chịu sức ép dưới sức nặng của tàu và các toa hàng. Tải trọng này sẽ tạo ra biến dạng cục bộ trong cả đường ray và bánh xe.

Độ biến dạng trong bánh xe quay sẽ gây ra những biến dạng cục bộ và lực tiếp xúc thay đổi nhanh chóng tạo ra sự rung lắc.

“Để thể hiện sự biến dạng, các kỹ sư có thể thay thế các chi tiết bánh xe và đường ray bằng lò xo phụ thuộc tần số,” Fiedler giải thích. “Các đặc tính động của lò xo và tính di động cục bộ có thể được đánh giá để sử dụng phương pháp tiếp cận phân tích 1D hoặc phương pháp tiếp cận 3D FEM / BEM.”

Fiedler tiếp tục giải thích rằng các kỹ sư mô hình hóa sự biến dạng bằng cách tiếp cận 3D sẽ kiểm soát được nhiều hơn các giới hạn điều kiện biên. Những kỹ sư này cũng sẽ có thể mô hình hóa bất kỳ bánh xe hoặc hình dạng mà họ muốn. Điều này rất quan trọng vì các hình khác nhau có độ chống rung khác nhau.

Với ESI VA One, sử dụng FEM / BEM, các kỹ sư có thể mô hình bất kỳ hình dạng bánh xe nào, chẳng hạn như bánh xe này. Sử dụng mô phỏng phân tích đơn giản làm điều này là không thể. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Ngoài ra, việc sử dụng mô hình 3D sẽ mở ra cơ hội để khám phá những dạng tiền áp lực trước khi vận hành trục hoặc lực ly tâm.

Fiedler lưu ý  “Các phương thức thể hiện cách cấu trúc hoạt động như thế nào khi tải ở một số tần số nhất định. “Khi áp dụng đúng lực, kỹ sư sẽ thấy sự rung động cấu trúc thực sự trong miền tần số. Đây được gọi là phương pháp Modal. “

Bước tiếp theo trong mô phỏng là tính năng lượng phát ra từ bánh xe. Điều này được thực hiện bằng cách mô phỏng không khí xung quanh bánh xe.

“Trong mô phỏng BEM, người sử dụng sẽ tạo ra một vỏ bọc bề mặt xung quanh hình dạng bánh xe và xác định bề mặt nào đã bị không khí làm ướt”, Fiedler hướng dẫn. “Sau khi giải quyết, kỹ sư đã có thể tiếp cận với năng lượng âm thanh phát ra.”

Năng lượng âm thanh phát ra này sau đó có thể được sử dụng như là hình mẫu để so sánh hiệu suất của các hình dạng bánh xe khác nhau.

Một bảng mô phỏng âm thanh đường ray cho VA One. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Ngoài ra, năng lượng âm thanh phát ra có thể được sử dụng trong mô hình hệ thống thông qua phân tích năng lượng thống kê (statistical energy analysis – SEA). Công cụ này giúp dự đoán tiếng ồn bên trong bằng cách tính toán tất cả các nguồn tiếng ồn trong hệ thống.

Sau khi xác định được năng lượng âm thanh phát ra của bánh xe, các phân rã tương tự có thể được đánh giá từ các nguồn tiếng ồn khác. Các nguồn này có thể bao gồm hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) cũng như các cấu trúc ép đùn hoặc cấu trúc phức hợp dưới sự rung động. Khi tất cả các nguồn tiếng ồn được xác định, chúng có thể được tích hợp trong mô hình SEA để đánh giá toàn bộ sự truyền tiếng ồn.

“Phương pháp mô tả đã sớm giúp chúng tôi trong giai đoạn dự án để xác định thành phần cấu trúc nào của xe điện gây ra nhiều tiếng ồn bên trong nhất”, Petr Cuchý, nhà nghiên cứu hàng đầu, nghiên cứu thực địa của Škoda Transportation nói. “Điều quan trọng là tập trung vào các thành phần nhạy cảm về âm thanh và tránh giải quyết các bộ phận có ảnh hưởng nhỏ tới tiếng ồn tổng thể và sau đó tránh thêm việc thêm khối lượng và chi phí cho các thành phần không nhạy âm này. Quan trọng không kém đối với chúng tôi là ước tính được mức độ tiếng ồn bên trong.”

Làm thế nào để mô phỏng tiếng ồn từ bên trong so với tiếng ồn từ bên ngoài.

Bây giờ bạn sở hữu một mô hình để tính toán độ rung và tiếng ồn từ nguồn ở mức thành phần hoặc hệ thống. Tiếp theo là gì?

“VA One tính toán và xếp hạng tất cả các đường dẫn cấu trúc và âm thanh từ nguồn đến một điểm được chọn,” Edwards nói. “Chẳng hạn, một khoang xe lửa [có thể được chọn] để một nhà thiết kế có thể dễ dàng nhận định được đâu là nơi gây ra tiếng ồn nhiều nhất và có những phương pháp sửa chữa.”

Fiedler lí giải tầm quan trọng của việc nhận thức được cách bố trí chỗ ngồi vì chúng ảnh hưởng và hấp thụ tiếng ồn bên trong. (Hình ảnh được cung cấp bởi Tập đoàn ESI.)

Phần mềm NVH mô phỏng việc truyền âm thanh sử dụng phương thức một nguồn, đường dẫn và máy thu. Ý tưởng đưa ra là các rung động được tạo ra bởi nguồn bơm năng lượng vào hệ thống, được truyền qua cấu trúc, các cấu trúc phụ và không khí cho máy thu. Đây được định nghĩa là đường truyền. Máy thu này thường được xác định bởi một vị trí cụ thể bên trong hoặc bên ngoài nguồn.

Edwards lí giải rằng nó có thể khá nan giải để xác định tiếng ồn bên trong buồng lái do có nhiều phụ kiện và đồ đạc trong buồng.

“Sự khác biệt chính là tiếng ồn bên trong nằm trong một không gian hạn chế, trong khi tiếng ồn bên ngoài nằm trong một môi trường mở”, Edwards nói. “Cùng một nguồn, đường dẫn, mô hình thu được sử dụng, nhưng những tần số khác nhau sẽ yêu cầu các công cụ khác nhau trong VA One để tính toán.”

Ví dụ, tùy thuộc vào tần số của âm thanh, ngay cả cái gì đó đơn giản như một chỗ ngồi cũng có thể hấp thụ tiếng ồn, trong khi các đường dẫn phức tạp chứa trong các cấu trúc như tường và không gian mở có thể nhiễu loạn, tạo tiếng vang lại hoặc kéo dài tiếng ồn.

Với VA One, các kỹ sư có thể sử dụng các công cụ này để đánh giá mức âm thanh tại vị trí của máy thu và sau đó xác định xem các tính năng trong không gian như thảm và màn cửa có thể hấp thụ âm thanh như thế nào.

Kết quả là các kỹ sư có thể sử dụng thông tin này từ VA One để tối ưu hóa các tính năng trong không gian âm thanh để hạn chế tiếng ồn. Điều này rất quan trọng khi thiết kế nội thất xe lửa để tối ưu ngay cả tiếng thì thầm.

Nguồn: engineering.com

Công ty TNHH Công Nghệ Số SDE (SDE TECH) được thành lập năm 2014. Đến năm 2018, chúng tôi vinh dự trở thành Smart Expert Partner – đối tác hàng đầu của Siemens Digital Industries Software tại Khu Vực Đông Nam Á – Thái Bình Dương cho các giải pháp Siemens NX (Unigraphics NX), Simcenter, Solid Edge, Tecnomatix và giải pháp quản lý Teamcenter.

Quý doanh nghiệp, khách hàng có nhu cầu liên hệ SDE TECH theo thông tin sau: