[發明專利]參數化建立季節凍土區鐵路路基振動反應三維數值模型的方法

在審

• 申請號: 201410578010.3
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104361631A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 王子玉;凌賢長;朱占元;張鋒
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06T17/30
• 分類號: G06T17/30
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種列車行駛引起的季節凍土區鐵路路基振動反應三維數值模型，涉及一種計算機參數化建模方法。

背景技術

作為世界第三凍土大國，中國季節凍土分布面積達514萬平方公里，其中凍深超過1m且對工程有嚴重影響的高寒深季節凍土面積達367萬平方公里，主要分布于東北、內蒙大部地區與新疆、青海、西藏部分地區。根據國家鐵路發展中長期規劃，我國各種干線鐵路、支線鐵路、地方鐵路等主要建設于季節凍土區，極少數鐵路干線位于多年凍土與季節凍土交匯區域。當今，貨運重載化、客運高速化業已成為世界鐵路大國軌道交通兩大發展趨勢，高速列車的時速已達到350公里、重載列車的載重已超過10000噸，未來幾十年仍將突飛猛進地發展重載鐵路、高速鐵路、快速客運專線等。軌道交通速度的不斷提高、載重的不斷加大使得動力學與振動問題日益突出。

現有技術中，專利文獻號為CN102385658A的發明申請，給出了一種虛擬現實環境下高速鐵路橋梁三維參數化建模方法，根據設計圖紙參數化建立橋梁的三維模型，并將其放置于真實地理環境中，實現預演工后效果功能，文獻中模型考慮了地形走向給出橋梁的三維模型的效果圖。文獻中沒有考慮溫度場模型，無法分析季節凍土區鐵路路基在不同季節、不同列車荷載下路基振動反應。

與非季節凍土地區不同，季節凍土區鐵路路基經受隨季節變化的周期性凍融循環作用，使路基土物理性質、水理性質和力學性能均發生改變，加之列車載荷長期反復振動雙重作用，使得路基長期變形穩定性與強度穩定性大幅降低，路基的凍脹與融沉、翻漿病害日益突出，不僅給新路建設和舊路維護帶來很大困難，而且也對線路正常運營與行車安全構成極大威脅，業已成為制約我國寒區軌道交通重載化與高速化戰略實施的一個重要瓶頸。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于python注釋器的參數化建立季節凍土區鐵路路基振動反應三維數值模型的方法，以解決目前有限元建模主要通過人工GUI操作進行，鐵路路基無限元邊界建模涉及到無限單元掃掠方向性，給人工建模帶來巨大工作量，效率很低的問題。

本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：

一種參數化建立季節凍土區鐵路路基振動反應三維數值模型的方法，所述方法用于構建鐵路路基有限單元為規則六面體網格單元，且邊界為無限單元的數值模型，所述方法的實現過程為：

步驟S1、確定需要分析的鐵路路基的幾何尺寸，進行參數化設定以確定鐵路路基幾何尺寸，建立包括軌枕、道床、路基、場地的鐵路路基三維幾何模型，并對鐵路路基三維幾何模型進行體的剖分以便于網格劃分；

設置鐵路路基幾何尺寸參數包括：

道砟厚度

設置路堤高度：包括分別設置基床表層厚度、基床底層厚度和路基底層厚度

設置路基寬度，

設置路堤坡度：可分別設置兩側路堤坡度，

場地寬度，

場地深度，

場地長度，通過定義軌枕數量實現；

步驟S2、基于步驟S1生成的鐵路路基三維幾何模型，通過輸入模型各層材料熱參數與熱邊界條件，并進行網格劃分生成鐵路路基溫度場數值模型；

步驟S3、由鐵路路基溫度場數值模型進行溫度場計算，提取鐵路路基溫度場計算結果；通過提取某一時刻路基溫度場作為鐵路路基振動反應數值模型初始場變量，實現模擬季節凍土區鐵路路基在春季、夏季、秋季和冬季列車行駛引起的振動響應；

步驟S4、基于步驟S1生成的鐵路路基三維幾何模型，通過輸入模型各層材料力學參數與力學邊界條件，并進行網格劃分生成鐵路路基振動反應數值模型，鐵路路基溫度場數值模型與鐵路路基振動反應數值模型網格劃分需完全相同；將步驟S3所輸出某一時刻溫度場作為初始場變量，施加列車行駛引起各軌枕力時程作為載荷輸入，計算該時刻列車行駛引起鐵路路基振動反應；

步驟S5、輸出典型節點及單元的應力、應變、振動加速度、速度、位移；

步驟S6、根據步驟S5對季節凍土區鐵路路基振動反應特性及影響因素進行分析。

本發明的有益效果是：