LS-DYNA邊界元素法於橋梁軌道工程的應用

本研究由國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系應用聲學研究所李驊育和國立臺灣海洋大學系統工程暨造船學系許維倫老師進行

隨著大眾捷運系統的快速發展，鋼箱橋因其結構穩定和施工效率高，被廣泛應用於高架軌道中。然而，當列車經過這些鋼箱橋時，可能會引發振動和噪音，對周圍社區造成困擾。為了解決這一問題，這項研究使用LS-DYNA的技術工具進行，以更高效地分析和管理這些噪音問題。

傳統方法的挑戰

過去，工程師們常使用有限元素法（FEM）和邊界元素法（BEM）來模擬和分析橋梁結構的噪音。然而，這些方法往往耗時費力，需要大量計算資源，尤其在處理大型結構時更為棘手。為了克服這些挑戰，研究人員嘗試使用LS-DYNA這一單一求解器來進行綜合分析，以提高工作效率和精度。

鋼箱橋與鄰近建物相對位置

分析模式驗證試驗

新技術的應用與測試

研究使用LS-DYNA模擬鋼橋腹鈑的振動和聲壓，先進行了2公分厚、1平方米鋼板的實驗驗證。鋼板邊界固定，使用衝擊錘測量壓力和加速度。模擬結果與實驗數據趨勢相符，僅在峰值位置有少許差異，證實該技術在結構噪音分析中的可行性。

鋼橋結構噪音分析

整體模型介紹
研究的鋼橋模型包括四跨30米的鋼箱梁，其中第二段鋼箱梁的網格密度提高至64倍，以描述最高分析頻率1000 Hz。我們使用LS-DYNA中的RAIL_TRACK和RAIL_TRAIN來設置列車和軌道模型。

列車與鋼橋模型圖

麥克風陣列與鋼橋相對位置
為了分析鋼橋結構噪音的影響，在鋼橋的肋鈑旁邊設置了多排麥克風，形成了總共5排的麥克風陣列。這些麥克風分布在橋樑的長度上，以便詳細分析噪音的近場和遠場分布情況。

輸出聲壓陣列與鋼橋相對位置圖

車速對鋼橋結構噪音的影響
模擬60 km/h、70 km/h 和 80 km/h三種不同車速下的噪音情況。結果顯示，不同車速下的噪音分布有明顯差異。60 km/h時噪音峰值位於橋梁的1/4和3/4處；70 km/h時噪音分布較均勻；80 km/h時噪音峰值集中在橋梁的端點。這表明車速的增加對噪音分布的影響並非線性。