铁路道床有砟-无砟过渡段动力特性的DEM-FEM耦合分析

针对铁路道床有砟-无砟过渡段的结构特点,采用离散元-有限元耦合模型分析散体道砟和无砟道床间过渡段的动力特性。散体道砟道床和无砟道床分别采用离散元方法 DEM和有限元方法 FEM模拟,而在过渡段将道砟颗粒嵌入无砟道床以增加道砟颗粒与无砟道床间的咬合力,并在离散元和有限元耦合区域实现了力学参数的传递。采用以上DEM-FEM耦合方法对有砟-无砟道床及其过渡段在列车荷载作用下的沉降过程进行了数值分析。计算结果表明,离散元方法中道砟颗粒间的力链呈现非对称梯形分布,其与有限元方法中的应力分布趋势一致;采用嵌入式道砟颗粒的方法可以增加有砟-无砟过渡段道砟间的咬合力,有效约束道砟颗粒的位移,减少有砟-无砟道床间的沉降差异。本文计算模型可以合理地分析有砟道床的力链分布以及无砟道床的应力分布,确定列车荷载下道床有砟-无砟过渡段的动力学行为。     

考虑道砟侵切土质路基的有砟轨道离散元-有限元耦合方法

论文考虑有砟轨道道床结构中底层道砟颗粒会逐渐侵切土质路基上表层的实际情况,引入基于双曲线函数的土阻力公式,发展了离散元颗粒与有限元网格体内耦合的接触力算法,建立了考虑道砟颗粒侵切路基表层的有砟轨道离散元-有限元耦合模型.其中道床中的非规则形状道砟采用离散元镶嵌单元构造,路基采用有限元20节点六面体实体单元构造.分析了道砟侵切路基下列车荷载及路基软硬程度对道床整体沉降的影响,绘制了有砟道床-路基的横截面应力及位移云图.研究表明提出的耦合模型不仅能反映道床自身的弹性变形和累积塑性变形,还能真实反映底层道砟侵切软土路基表层所导致的侵切沉降,为深入了解有砟道床的沉降劣化机理提供重要借鉴作用.     

考虑道砟侵切路基的有砟铁路离散元-有限元耦合方法

本文考虑有砟铁路道床结构中底层道砟颗粒会逐渐侵切路基上表层的实际情况,引入基于双曲线函数的土阻力公式,发展了离散元颗粒与有限元网格体内耦合的接触力算法,建立了考虑道砟颗粒侵切路基表层的有砟铁路离散元-有限元耦合模型。其中道床中的非规则形状道砟采用离散元镶嵌单元构造,路基采用有限元20节点六面体实体单元构造。分析了道砟侵切路基下列车荷载及路基软硬程度对道床整体沉降的影响,绘制了有砟道床-路基的横截面应力及位移云图。研究表明提出的耦合模型不仅能反映道床自身的弹性变形和累积塑性变形,还能真实反映底层道砟侵切软土路基表层所导致的侵切沉降,为深入了解高速重载下有砟道床的沉降劣化机理提供重要借鉴作用。     

不同载荷频率下有砟铁路道床累积沉降特性的离散元分析

为研究有砟道床在高频载荷作用下的累积沉降规律,建立工程尺度下枕木-有砟道床的离散元计算模型。考虑道砟的非规则真实几何形态,利用不可破碎的簇颗粒模型近似构造。在10 Hz～100 Hz载荷频率区间内,对比分析枕木位移以及道砟颗粒在垂向和横向上的运动分布规律,研究分析道床在循环正弦载荷作用下的动力特性。数值结果表明,在载荷频率不超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而逐渐增大;当载荷频率超过60 Hz时,道床累积沉降随着载荷频率的提高而急剧增大,并在载荷频率为80 Hz时达到最大值,而后道床累积沉降量随着频率的提高反而逐渐减小。此外,分析对比不同载荷频率下道床速度场分布及典型位置道砟的加速度等物理量,发现80 Hz的载荷频率下道床离散元模型的振动最强烈。     

针对有砟道床动力特性分析的嵌入式离散元-有限元耦合方法

在离散元-有限元耦合方法中,离散元和有限元交界面处的耦合方式对整体有砟道床的力学行为影响显著.采用基于球形单元的镶嵌单元或粘结单元模拟有砟道床时,由于球形单元和有限单元表面的自锁能力较差,使道砟层在列车载荷作用下容易产生侧向滑移,导致数值模型不稳定.此外,在实际铁路道床中,底部道砟均不同程度地嵌入路堤.为此,发展了一种嵌入式离散元-有限元耦合方法,通过设置一层嵌入地基有限元模型中的球形颗粒传递离散元域和有限元域间的力学参数,实现离散元和有限元方法的耦合.数值结果表明,嵌入式离散元-有限元耦合模型能够有效降低有砟道床的侧向位移,数值结果更加稳定,在处理与有砟道床类似的连续介质与散体介质的耦合问题时推荐采用嵌入式耦合算法.     

轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响

建立了基于Timoshenko梁模型的车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨下支承失效对直线轨道动态响应的影响. 钢轨被视为连续弹性离散点支承上的无限长Timoshenko梁,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟轨下支承失效状态. 推导了考虑钢轨横向、垂向和扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式. 利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力. 采用移动轨下支承模型的车辆/轨道耦合系统激振模式,考虑轨枕离散支承对系统动力响应的影响. 通过新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,由数值分析计算得到不同轨下支承失效状态下直线轨道的动态响应. 结果表明,轨下支承失效对直线轨道变形及加速度有显著的影响,随着失效轨下支承个数的增加,轮轨相互作用力和轨道部件的位移、加速度将会急剧增大,将加速失效区段线路状况的恶化.      

高速列车-轨道-路基耦合垂向振动特性分析

随着高速铁路的发展,列车运行速度和列车载重的不断提高,轨道结构承受的动载荷不断增大,其反复作用的结果必将导致轨道结构部件疲劳破坏更加突出,可靠性下降,并加速残余累积变形;反过来轨道结构部件的破坏,影响列车行驶的安全性和舒适性.因此,列车-轨道-路基耦合系统动力学问题越来越受到学术界的关注.采用统一模型法,建立车辆、钢轨、轨枕、道床和路基为一体的二系垂向耦合动力分析模型,利用新型显式积分法对耦合系统运动方程进行数值积分计算,分析列车速度、轨枕间距、轨道不平顺及列车重量对列车运行的品质、动位移以及轨道结构振动的影响规律.对车辆运行速度的控制以及对轨道结构设计、施工和养护提供有用的参考.     

土工格栅加强下有砟铁路道床动力特性的离散元-有限元耦合分析

本文提出了一种可用于分析土工格栅与道砟颗粒间相互作用的离散元-有限元耦合方法。道砟颗粒采用镶嵌单元模拟,土工格栅采用梁单元计算,并在接触面上实现了离散元和有限元域间力学参数的传递。通过循环载荷作用下的计算,对比分析了土工格栅对道砟颗粒的加固性能。通过加筋后道砟颗粒的直剪试验进一步揭示了土工格栅加固作用的内在机理。结果表明：土工格栅可有效地降低有砟道床横向位移以及顶部沉降量,加筋后道砟材料的内聚力和摩擦角都有所提高。由此可见,土工格栅能够增加道砟颗粒间的自锁作用,提高道砟材料的强度,并有效地阻止剪切带从上部道砟箱向下部道砟箱贯穿。     

振动效应对铁路道砟剪切性能影响的离散元数值模拟

铁路道砟在传递移动列车载荷时会产生明显振动及接触迁徙行为，从而诱发道床的破碎劣化及非均匀沉降变形，道砟材料的抗剪性能研究对于碎石道床动力学行为及维养评估非常重要。为进一步探究铁路道砟的剪切力学特性，基于Minkowski Sum理论构造了扩展多面体单元，采用三维Voronoi切割算法生成了非规则扩展多面体道砟颗粒。通过最小投影方法对单元进行粒径识别和筛选，建立了符合铁路道砟级配要求的扩展多面体道砟模型数据库。对比了不同法向应力下铁路道砟准静态直剪试验及离散元模拟结果，验证了扩展多面体道砟接触参数的合理性。在此基础上，开展了振动效应下的道砟动态直剪离散元模拟研究，分析了振动角度、幅值及频率对道砟材料抗剪性能的影响。结果表明：构造的扩展多面体道砟离散元模型能够较好地反映非规则道砟间的强咬合互锁接触作用，并有效模拟直剪过程中的剪切应力–应变的变化及剪缩–剪胀行为。正则化下不同法向应力对应的铁道道砟剪切强度更适合采用幂函数拟合表示。振动场的存在会明显降低道砟颗粒的抗剪性能。当振动方向与剪切方向一致时（振动角度为0°），道砟的剪切强度被明显削弱；随着振幅及频率的增大，道砟颗粒的剪切强度也会显著降...     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

Experimental Investigation on Dynamic Railway Sleeper/Ballast Interaction

In ballasted railway tracks, one of the important components that supports the rails and distributes wheel/rail loading onto the ballast supporting formation is a railway sleeper (sometimes is also called a “railway tie”). This paper presents results of an experimental modal analysis of prestressed concrete sleepers in both free-free and in-situ conditions, incorporating the dynamic influence of sleeper/ballast interaction. Dynamic interaction between concrete sleepers and ballast support is crucial for the development of a dynamic model of railway track capable of predicting its responses to impact loads due to wheel flats, wheel burns, irregularities of the rail, etc. In this study, four types of prestressed concrete sleepers were in-kind provided by the Australian manufacturers. The concrete sleepers were tested using an impact hammer excitation technique over the frequency range of interest, 0–1600 Hz. Frequency response functions (FRFs) were measured using PULSE modal testing system. The FRFs were processed using STAR modal analysis package to identify natural frequencies and the corresponding mode shapes for the sleepers. The conclusions are presented about the effect of the sleeper/ballast interaction on the dynamic properties of prestressed concrete sleepers and their use for predicting railway track dynamic responses.     

铁路道砟破碎特性的离散元分析

为降低有砟铁路轨道维护成本并提高乘客舒适度,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要作用。本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,对道砟受压破碎过程的力和位移等数据加以分析;同时,通过三维激光扫描系统获取道砟三角网格多面体边界,依此采用颗粒平行粘结方式构造具有不规则真实外观的铁路道砟,并采用离散单元方法(DEM)数值模拟道砟径向加载破碎过程,分析应力应变曲线和粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对多个道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其有效压缩强度逐渐减小。道砟颗粒的有效压缩强度符合威布尔概率分布函数,并确定了其残存概率的平均强度和威布尔参量,试验和数值模拟结果相吻合。     

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合 物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学 参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.     

基于对称性的三维车辆轨道耦合系统随机振动虚拟激励方法

基于结构的对称性提出了用于三维车辆轨道耦合系统高效随机动力响应分析的虚拟激励方法.车辆采用刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模,车辆与轨道通过线性轮轨关系耦合.采用虚拟激励法将高低、方向和水平三类轨道不平顺转化为一系列筒谐的虚拟不平顺;考虑车辆及轨道结构的对称性,分别推导了耦合系统的对称和反对称凝聚矩阵,提出了用于车辆轨道耦合系统动力响应计算的自由度凝聚方法,将耦合系统的自由度缩减至原来的一半以下,并在此基础上实现了耦合系统随机振动的高效分析.数值算例将本文方法与传统有限元方法进行对比,验证了本文方法的正确性和有效性.     

车轨系统随机响应周期性拟稳态分析

提出用于三维车轨耦合系统随机动力响应高效求解的周期性拟稳态分析方法. 车辆采用三维刚体动力学模型,轨道结构利用三维轨道广义单元建模. 假定轨枕间距均匀,则列车在轨道上行驶过程中,车轨耦合系统动力学方程具有典型周期时变特征. 应用虚拟激励方法将轨道随机不平顺转化为虚拟简谐不平顺,在状态空间下运用周期系数微分方程的性质和Schur分解技巧将上述问题的求解转化为周期性拟稳态响应分析,只需通过求解系数矩阵为上三角的线性方程组即可代替以往时变系统虚拟响应求解过程中的逐步积分过程,计算效率获得较大提高. 采用该方法进行了三维车轨耦合系统的随机动力响应分析,并进行了不平顺随机载荷在车体、转向架、轮对和轨道等部件中传递机理分析,获得了一些有价值结论.