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一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法.pdf

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一种 用于 设计 计算 轨道 高速铁路 有限元 建模 分析 方法
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摘要
申请专利号:

太阳城集团CN201510669608.8

申请日:

2015.10.13

公开号:

CN105224758A

公开日:

2016.01.06

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20151013|||公开
IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
申请人: 河海大学
发明人: 庄妍; 李劭邦; 王康宇; 王晓东
地址: 211100 江苏省南京市江宁开发区佛城西路8号
优先权:
专利代理机构: 南京经纬专利商标代理有限公司 32200 代理人: 虞希光
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510669608.8

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2018.05.18|||2016.02.03|||2016.01.06

法律状态类型:

授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

本发明公开了一种有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法,主要包括以下几个步骤: (1)将钢轨当作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁,计算列车对下部结构的等效荷载;(2)提取结构的几何参数,用有限元软件ABAQUS建立各结构层的有限元模型;(3)给各结构层赋予材料属性和单元属性并划分网格;(4)设置接触和边界条件;(5)在轨枕上施加列车等效荷载,利用显式求解器进行动力计算。本发明是基于ABAQUS软件,通过对结构进行简化,将钢轨当作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁来计算列车等效荷载,模型本身不包括钢轨而是直接将计算的列车等效荷载加到下部结构来进行动力分析的简化的、更加接近真实情况的三维有限元建模方法,适用于有砟轨道高速铁路的设计和计算。

权利要求书

权利要求书
1.  一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将结构看作是由钢轨和其下的各结构层通过离散的轨枕连接组成,列车动荷载通过一个个离散的轨枕传递到下部结构,将钢轨看作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁以此来计算列车通过时对下部结构的等效荷载;
(2)提取除钢轨以外各结构的几何参数,应用有限元软件ABAQUS建立轨枕、道床、路堤、垫层、桩和天然地基土的有限元模型;
(3)对各结构赋予材料属性和单元属性并划分网格;
(4)设置模型的接触和边界条件,桩和地基土的接触采用interaction里的面面接触,模型四周采用无限元来模拟吸收边界,底面采用固定边界;
(5)在轨枕上施加计算得来的列车等效荷载,利用ABAQUS显式求解器进行动力计算。
所述步骤(1)具体为:将有砟轨道高速铁路看作是由钢轨和其下的道床通过轨枕连接组成的,列车荷载由一个个离散的轨枕传递到下部的道床、路堤和地基中去。将钢轨看作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁以此来计算列车通过时每一轴载对各轨枕的作用力,然后将各轴载在同一轨枕的作用力叠加求得整个列车对该轨枕的等效作用力;
所述步骤(2)具体为:依据有砟轨道高速铁路典型断面提取除钢轨以外的,轨枕、道床、路堤、垫层、地基土和桩的几何参数,利用ABAQUS有限元软件建立除钢轨以外各结构的有限元模型;
所述步骤(3)具体为:轨枕和桩采用弹性模型模拟,采用3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R)同时轨枕单元采用增强沙漏控制;道床、路堤和垫层采用摩尔-库伦屈服准则和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R),其中道床和路堤采用增强沙漏控制;地基土采用修正剑桥模型和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R),模型的网格采用非均匀的网格划分方法,荷载作用区域采用细化网格然后沿横断面向左右两侧采用均匀网格尺寸;竖向由桩帽顶面开始向下逐步增大网格尺寸,桩帽顶面向上采用均匀网格尺寸;
所述步骤(4)具体为:依据有砟轨道高速铁路典型断面的实际情况,在interaction模块设置桩和地基土的面面接触,模型四周采用无限元模拟吸收边界;模型底面采用固定边界约束x、y、z三个方向的自由度;
所述步骤(5)具体为:将步骤1计算得来的列车对每一轨枕的等效荷载以均布力的形式加到各轨枕与钢轨接触的接触面上,利用ABAQUS显式求解器进行动力计算。

说明书

说明书一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法
技术领域
本发明涉及铁路工程计算机辅助设计技术领域,特别涉及到一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法。
背景技术
目前我国高速铁路干线工程的建设正在突飞猛进的进行中。随着列车运行速度的不断提高和牵引重量的增加,列车的振动强度,轮轨之间、轨道与路基之间的相互作用也会相应增大。因此高速铁路对线下工程的承载性能和稳定性能要求更加严格,尤其对工后沉降的控制极为严格。虽然对于铁路动力问题的研究已取得了很多成果,但对于高速铁路动力方面问题的研究还未形成统一的结论尚需大量的研究论证。利用有限元软件模拟高速铁路运行是可靠的并且取得了大量的成果,但之前的研究中也存在一些不足。
当前的有限元模型要么是截取垂直列车运行方向的横断面而建立的二维模型,要么是考虑所有细部结构建立的大型三维有限元模型。前者不能考虑结构在空间中的相互影响和相互作用,不能直观反映列车运行方向应力波的传递特性。后者考虑所有细部结构的三维模型,使得模型很复杂,钢轨与轨枕之间涉及大量的接触且边界不易处理,同时复杂模型大量的网格增加了计算收敛的难度并且要耗费大量的计算太阳城集团和存储空间。
发明内容
发明目的:本发明针对现有研究中的不足,提出了一种用于铁路设计计算的简化的有砟轨道高速铁路三维有限元建模分析方法。
技术方案:本发明公开了一种简化的有砟轨道高速铁路三维有限元建模分析方法,主要包括以下几个步骤:
(1)将结构看作是由钢轨和其下的结构层通过离散的轨枕连接组成,列车动荷载通过一个个离散的轨枕传递到下部结构。将钢轨看作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁以此来计算列车通过时对下部结构的等效荷载;
(2)提取除钢轨以外结构的几何参数,应用有限元软件ABAQUS建立轨枕、道床、路堤、垫层、桩和天然地基土的有限元模型;
(3)对各结构赋予材料属性和单元属性并划分网格;
(4)设置模型的接触和边界条件,模型的桩土接触采用interaction里的面面接触类型, 模型四周采用无限元来模拟吸收边界,底面采用固定边界;
(5)在轨枕上施加计算得来的列车等效荷载利用ABAQUS显式求解器进行动力计算。
所述步骤(1)具体为:将有砟轨道的高速铁路看作是由钢轨和其下的道床通过一个个离散的轨枕连接组成的,列车动荷载由轨枕传递到下部的道床、路堤和地基中去。将钢轨看作是作用在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁以此来计算列车通过时每一轴载对各轨枕的作用力,然后将各轴载在同一轨枕的作用力叠加求得整个列车通过时对该轨枕的等效作用力;
所述步骤(2)具体为:依据有砟轨道高速铁路典型断面提取除钢轨以外的,轨枕、道床、路堤、垫层、地基土和桩的几何参数,利用ABAQUS有限元软件建立除钢轨以外各结构的有限元模型;
所述步骤(3)具体为:轨枕和桩采用弹性模型模拟,采用3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R)同时轨枕单元采用增强沙漏控制;道床、路堤和垫层采用摩尔-库伦屈服准则和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R),其中道床和路堤采用增强沙漏控制;地基土采用修正剑桥模型和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R)。模型的网格采用非均匀的网格划分方法,荷载作用区域采用细化网格然后沿横断面向左右两侧采用均匀网格尺寸;竖向由桩帽顶面开始向下逐步增大网格尺寸,桩帽顶面向上采用均匀网格尺寸;
所述步骤(4)具体为:依据有砟轨道高速铁路典型断面的实际情况,在interaction模块设置桩和地基土的面面接触,模型四周采用无限元模拟吸收边界;模型底面采用固定边界约束x、y、z三个方向的自由度;
所述步骤(5)具体为:将步骤一计算得来的列车对每一轨枕的等效荷载以均布力的形式加到各轨枕与钢轨接触的接触面上,利用ABAQUS显式求解器进行动力计算。
有益的效果:本发明提供的简化的有砟轨道高速铁路三维有限元建模分析方法,通过轨枕传递等效的列车荷载到道床、路堤和地基中去而将结构简化为只考虑轨枕、道床、路堤、垫层、桩和地基土的结构;依据实际有砟轨道高速铁路的典型断面提取各结构层的几何参数并用ABAQUS建立有限元模型;将等效的列车荷载加到轨枕与钢轨接触的面上进行动力分析。模型不仅能够准确的反应铁路各结构层之间力的传递规律和变形特性,并且所需的计算太阳城集团和存储空间都大大减少,易在铁路设计计算中广泛应用。
附图说明:
图1为本发明的方法流程图;
图2为有砟轨道高速铁路结构简化示意图;
图3为有砟轨道高速铁路典型断面图;
图4为一节车厢通过时对54m处的轨枕的等效荷载图;
图5为本发明建模方法具体的几何模型和网格划分示意图。
图6为沿软土中心向上路堤单元的竖向应力在静动荷载作用下的分布示意图
图7为沿软土中心向上路堤单元的土压力系数K值在静动荷载作用下的分布示意图
图8为沿桩顶和软土中心向上路堤差异沉降在静动荷载作用下的分布示意图
图中,1为钢轨,2为轨枕,3为道床,4为移动轴载,5为轨枕传递荷载,6为路堤,7为垫层,8为桩,9为天然地基,10为无限元边界,11为固定边界。
具体的实施方式
以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。
一种用于设计计算的有砟轨道高速铁路有限元建模分析方法,实施的流程图如图1所示,具体的步骤如下所述:
(1)将有砟轨道高速铁路看作是由图2中的钢轨1和下部的道床3通过一个个离散的轨枕2连接而成的结构。移动的荷载4通过轨枕传递到道床3、路堤6和地基9中去。将钢轨看作是布置在Winkler地基上的Euler-Bernoulli梁,计算列车运行时各轴载对每一轨枕的作用力5,然后将各轴载在同一轨枕的作用力叠加求得整个列车对该轨枕的等效作用力。图4为求得的54m轨枕位置处一节车厢通过时的等效荷载;
(2)依据图3的有砟轨道高速铁路结构的典型断面,将模型简化为由图中的轨枕2、道床3、路堤6、垫层7、天然地基9和桩8组成的结构,并依据工程实例来拟定这些结构层的位置、长度、厚度和宽度等几何参数;
(3)根据步骤2拟定的各结构层的几何参数,利用ABAQUS有限元软件建立图5所示的包含轨枕2、道床3、路堤6、垫层7、天然地基9和桩8的三维模型;
(4)对图5所建立的轨枕2、道床3、路堤6、垫层7、天然地基9和桩8的有限元模型赋予材料和单元属性,设置桩和地基土的接触并划分网格。其中轨枕和桩采用弹性模型模拟,采用3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R)同时轨枕单元采用增强沙漏控制;道床、路堤和垫层采用摩尔-库伦屈服准则和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R),其中道床和路堤采用增强沙漏控制;地基土采用修正剑桥模型和3维8节点缩减积分实体单元(C3D8R)。模型的网格采用非均匀的网格划分方法,荷载作用区域采用细化网格然后沿横断面向左右两 侧采用均匀网格尺寸;竖向由桩帽顶面开始向下逐步增大网格尺寸,桩帽顶面向上采用均匀网格尺寸;
(5)设置模型的边界条件,图5(a)中模型四周采用无限元10来模拟吸收边界;模型底部采用固定边界11,约束底面x、y、z三个方向的自由度;
(6)将步骤一计算出的等效荷载,与图4类似的M型波分别以均布力的形式加到各轨枕与钢轨接触的接触面上,用ABAQUS显示求解器计算结构的动力响应;
太阳城集团(7)取图5a所示的模型中间位置的计算结果进行分析。图6显示了列车通过前静载作用下和等效列车荷载作用下沿软土中心向上路堤内竖向应力的分布,图中虚线为自重应力Υh的分布曲线。静载作用下竖向应力开始与自重应力曲线重合到一定深度后开始减小最后又开始增加这与Hewlett&Randolph土拱理论的结果一致。在等效列车荷载作用下竖向应力在路堤表面先由某一值减小后与静载作用下变化趋势一致。图7显示了静动载作用下沿软土中心向上路堤内部土压力系数K值(K=σh/σv,水平应力与竖向应力的比值)的分布情况。可以看出在静载作用下K值先是保持在0.5左右到一定深度后K值逐渐增加超过Kp为路堤填料内摩擦角)后逐渐减小,这与庄妍等2014年发表于《ArabianJournalofGeosciences》上的数值模拟结果一致。动载作用下K值变化趋势与静载一致但数值都比静载结果小,说明动载作用下土拱效应会减弱。图8显示了静动载作用下沿桩顶和软土中心向上路堤的差异沉降,从图中可以看出在一定深度范围内差异沉降为0,小于某一深度后桩顶沉降开始减小,软土中心上部沉降开始增大,在路堤底部差异沉降达最大值。动载作用下沉降变化趋势与静载相似但沉降值比静载情况下大。从结果图中可以得出本发明的模型是正确合理的。

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