一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高速铁路无巧轨道的病害分析方法。更具体地，设及一种基于扩 展有限元与疲劳分析联合求解的无巧轨道病害分析方法。
【背景技术】
[0002] 从19世纪60年代开始，高速铁路无巧轨道结构在德国、日本、英国、意大利等国家 得到发展并逐步广泛应用，经过40多年的发展，无巧轨道经历了数量上由少到多，技术上由 浅到深，品种上由单一到多种，铺设范围上由桥隧到±质路基铺设的发展历程。目前高速铁 路比较发达的国家大都采用无巧轨道作为主要的轨道结构型式。
[0003] 随着运营，无巧轨道的各种伤损病害不断出现，病害的类型也呈多样化发展。无巧 轨道的病害从其发展部位上来分主要有:无巧轨道钢轨病害、扣件病害、混凝±轨道板病 害、CA砂浆病害、底座板病害、下部基础及溫度变化导致的主体结构病害、附属结构病害等 多种形式。其中，无巧轨道病害方面比较典型及常见的有轨道板开裂、层间离缝、轨道板上 拱、底座板与支承层开裂劣化、两布一膜失效等。由此可见针对高速铁路无巧轨道形成成套 的病害分析方法，进而指导后期的维护，不仅是迫切需求，而且有着巨大的应用空间。
[0004] 目前针对无巧轨道病害的分析方法主要是采用有限元方法进行受力分析，也出现 了采用疲劳分析软件进行寿命预测，或者室内试验，但运些分析方法都有明显的局限性，如 有限元难W分析轨道板发生裂纹、离缝、上拱等不连续问题，疲劳分析难W结合力学分析结 果，而试验研究需要大量经费支持。
[0005] 因此，需要提供一种新的无巧轨道病害分析方法。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无 巧轨道病害分析方法，该方法实现了从无巧轨道病害的发生预测到病害的演变规律研究， 再到对病害产生影响评价的成套理论分析技术。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
[000引一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无巧轨道病害分析方法，包括如下步 骤：
[0009] 根据高速铁路无巧轨道的几何尺寸和材料属性，建立无巧轨道的有限元模型；
[0010] 对所述有限元模型施加所需载荷、边界条件，创建所要分析对象的节点集合或单 元集合，对所述有限元模型进行受力分析；
[0011] 在疲劳分析软件中导入受力分析结果，进行所述有限元模型的疲劳性能分析；
[0012] 基于扩展有限元方法在所述有限元模型中定义轨道结构材料的断裂力学参数，选 择所述疲劳性能分析中寿命临界部位为破坏区域，计算病害的产生W及不断发展演变规 律；
[0013] 在所述有限元模型上增加列车轮轨禪合模型，并将所述病害施加在轨道结构上， 计算出轨道结构发生病害后列车的横向加速度、垂直加速度、脱轨系数和轮重减载率，分析 评价所述病害对列车运行的影响。
[0014] 优选地，所述无巧轨道的有限元模型包括:钢轨、扣件、无巧轨道板、砂浆层、支承 层和下部基础，所述钢轨采用60kg/m钢轨实体模型，所述扣件采用弹黃，所述无巧轨道板和 支承层采用混凝±实体结构，所述砂浆层采用CA砂浆，所述下部基础采用路基或桥梁。
[0015] 优选地，所述无巧轨道的有限元模型的材料属性包括:密度、弹性模量、泊松比、阻 尼、导热系数和比热容。
[0016] 优选地，对所述有限元模型施加的载荷包括列车动载荷和/或溫度载荷。
[0017] 优选地，采用基于应力的GOODMAN理论对有限元模型进行疲劳性能分析，得出分析 对象的疲劳寿命云图W及疲劳寿命次数，W及在该荷载作用下轨道结构的寿命最低点和破 坏形式。
[0018] 优选地，通过连续Ξ维视图或视频的方式反映所述病害的发展演变过程。
[0019] 优选地，高速列车模型包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂，将高速列车 模型与所述无巧轨道的模型进行禪合。
[0020] 优选地，所述高速列车列车模型与所述有限元模型的钢轨之间采用赫兹接触。
[0021] 本发明的有益效果如下：
[0022] 本发明提供一种适用于无巧轨道离缝、开裂等病害的成套理论分析方法，该方法 能够预测无巧轨道病害发生的时机，并对病害后续的发展演变规律进行分析，对病害的发 展过程能够Ξ维可视化，同时基于轮轨禪合评价病害对行车的影响。该成套理论方法能够 用W指导高速铁路无巧轨道的养护维修方案制定。
[0023] 疲劳分析的案例虽然已经存在，使用该方法的研究人员仅将该方法用于普通结构 的寿命分析，存在较大的局限性;扩展有限元方法的研究人员仅将其用于不连续问题的求 解;二者互相分离。无巧轨道病害是一个长期列车动荷载和外部环境作用累计形成的，形成 后在荷载作用下还会不断发展变化;研究无巧轨道病害时，既需要分析前期的形成过程，用 W预防病害;又需要掌握其后续发展规律用W指导养护维修，因此本发明打破传统的单一 学科思想，采用多学科交叉互补的优势，发明人在研究中发现将疲劳分析方法和扩展有限 元方法结合起来，作为一种无巧轨道病害成套分析技术具有独特的优势。
【附图说明】
[0024] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0025] 图1示出本发明的流程图。
[00%]图2示出本发明中有限元模型的结构示意图。
[0027] 图3示出本发明中有限元模型的横截面结构示意图。
[0028] 图4示出本发明中有限元模型受力分析的边界条件示意图。
[0029] 图5示出本发明中有限元模型中轨道结构施加溫度载荷示意图。
[0030] 图6示出本发明中升溫时无巧轨道应力云图。
[0031] 图7示出本发明中降溫时无巧轨道应力云图。
[0032] 图8示出本发明中应力应变结果文件导入疲劳分析软件截图。
[0033] 图9示出本发明中砂浆层疲劳性能参数截图。
[0034] 图10示出本发明中试验测得S-N曲线。
[0035] 图11示出本发明中砂浆层疲劳分析结果。
[0036] 图12示出本发明中初始离缝区示意图。
[0037] 图13示出本发明中离缝开始发展示意图。
[0038] 图14示出本发明中离缝发展过程示意图。
[0039] 图15示出本发明中离缝发展过程示意图。
[0040] 图16示出本发明中列车轨道结构禪合模型示意图。
[0041] 图17示出本发明中车体垂直加速度对比图。
[0042] 图18示出本发明中脱轨系数对比图。
[0043] 图19示出本发明中轮重减载率对比图。
【具体实施方式】
[0044] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。附图中相似的部件W相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体 描述的内容是说明性的而非限制性的，不应W此限制本发明的保护范围。
[0045] 如图1本方法流程图所示，一种基于扩展有限元与疲劳