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】
[0001] 本发明设及铁路工程计算机辅助设计技术领域，特别设及到一种用于设计计算的 有巧轨道高速铁路有限元建模分析方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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=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 =维模型，使得模型很复杂，钢轨与轨枕之间设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时间和存储空间。
【发明内容】
[0004] 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 的有巧轨道高速铁路=维有限元建模分析方法。
[0005] 技术方案：本发明公开了一种简化的有巧轨道高速铁路=维有限元建模分析方 法，主要包括W下几个步骤：
[0006] (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W此来计算列车通过时对下部结构的等效荷载；
[0007] (2)提取除钢轨W外结构的几何参数，应用有限元软件ABA卵S建立轨枕、道床、路 堤、垫层、粧和天然地基±的有限元模型；
[000引 （3)对各结构赋予材料属性和单元属性并划分网格；
[0009] (4)设置模型的接触和边界条件，模型的粧±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；
[0010] (5)在轨枕上施加计算得来的列车等效荷载利用ABA卵S显式求解器进行动力计 算。
[0011] 所述步骤（1)具体为：将有巧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地基上的化ler-Bernoulli梁W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；
[0012] 所述步骤（2)具体为：依据有巧轨道高速铁路典型断面提取除钢轨W外的，轨枕、 道床、路堤、垫层、地基±和粧的几何参数，利用ABA卵S有限元软件建立除钢轨W外各结构 的有限元模型；
[0013] 所述步骤（3)具体为：轨枕和粧采用弹性模型模拟，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±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 粧帽顶面开始向下逐步增大网格尺寸，粧帽顶面向上采用均匀网格尺寸；
[0014] 所述步骤（4)具体为：依据有巧轨道高速铁路典型断面的实际情况，在 interaction模块设置粧和地基±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、zS个方向的自由度；
[0015] 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W均布力 的形式加到各轨枕与钢轨接触的接触面上，利用ABA卵S显式求解器进行动力计算。
[0016] 有益的效果：本发明提供的简化的有巧轨道高速铁路=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、粧和地基±的结构；依据实际有巧轨道高速铁路的典型断面提取各结构层的几 何参数并用ABA卵S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 需的计算时间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】：
[0017] 图1为本发明的方法流程图；
[0018] 图2为有巧轨道高速铁路结构简化示意图；
[0019] 图3为有巧轨道高速铁路典型断面图；
[0020] 图4为一节车厢通过时对54m处的轨枕的等效荷载图；
[0021] 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。
[0022] 图6为沿软±中屯、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
[0023]图7为沿软±中屯、向上路堤单元的±压力系数K值在静动荷载作用下的分布示意 图
[0024] 图8为沿粧顶和软±中屯、向上路堤差异沉降在静动荷载作用下的分布示意图
[00巧]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为粧，9为天然地基，10为无限元边界，11为固定边界。
[0026] 具体的实施方式
[0027]W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。
[0028] 一种用于设计计算的有巧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：
[0029] (1)将有巧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地基上的化ler-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；
[0030] (2)依据图