[發(fā)明專利]考慮輪軌滾動(dòng)接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811636807.9
• 申請(qǐng)日: 2018-12-29
• 公開（公告）號(hào): CN109376503B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏麗敏;李雙龍;何群
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/15;G06F30/13
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務(wù)所(普通合伙) 43214
• 代理人: 鄭雋;吳婷

1.一種考慮輪軌滾動(dòng)接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為由車輛、軌道及路基組成的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提取簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，建立ABAQUS有限元模型；其中，所述車輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為車體、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)，軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為鋼軌、無砟軌道板，路基結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為底座板、路基基床、路基本體及地基；

(2)采用連接單元模擬車體與轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)的二系懸掛系統(tǒng)，采用彈簧阻尼單元模擬鋼軌與無砟軌道板之間的扣件系統(tǒng)；

(3)建立輪對(duì)的輪軸中心參考點(diǎn)與輪緣面的運(yùn)動(dòng)耦合約束以及輪對(duì)的輪緣、踏面與鋼軌軌面的面-面接觸關(guān)系；

(4)根據(jù)實(shí)際情況在模型周邊設(shè)置人工阻尼邊界，同時(shí)給各結(jié)構(gòu)、連接單元及彈簧阻尼單元賦材料屬性，并對(duì)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格；

(5)設(shè)置車體、轉(zhuǎn)向架的初始平動(dòng)速度預(yù)定義場(chǎng)，設(shè)置輪對(duì)輪軸中心點(diǎn)沿軌道運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)初始角速度和與角速度相匹配的初始平動(dòng)速度的預(yù)定義場(chǎng)；

(6)施加車體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)自重荷載，采用動(dòng)力顯式求解器進(jìn)行有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(1)中，提取簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)包括：各結(jié)構(gòu)的位置、長度、厚度和寬度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(2)的具體方法為：通過剛體約束將車輛結(jié)構(gòu)設(shè)置為剛體，并綁定車體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)特征位置的參考點(diǎn)，采用連接單元模擬車體參考點(diǎn)與轉(zhuǎn)向架參考點(diǎn)之間的懸掛系統(tǒng)，采用連接單元模擬轉(zhuǎn)向架參考點(diǎn)與輪對(duì)參考點(diǎn)之間的懸掛系統(tǒng)，采用彈簧阻尼單元模擬鋼軌節(jié)點(diǎn)與無砟軌道板節(jié)點(diǎn)的扣件系統(tǒng)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(3)的具體方法為：建立輪對(duì)的輪軸中心參考點(diǎn)與輪緣面的運(yùn)動(dòng)耦合約束，將輪軸中心參考點(diǎn)三個(gè)平動(dòng)自由度及三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度與輪緣面進(jìn)行耦合，然后，分別選取輪對(duì)輪緣踏面與鋼軌軌面建立表面集合，以輪緣踏面集合為主面，鋼軌軌面集合為從面，采用面面接觸的方式建立接觸關(guān)系，采用Tabular關(guān)系曲線的接觸壓力-過盈量模式確定輪軌接觸面法向力，采用靜-動(dòng)指數(shù)衰減摩擦系數(shù)求解輪軌切向力。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(4)中，根據(jù)模型實(shí)際范圍在模型周邊設(shè)置人工阻尼邊界單元防止動(dòng)力波的反射；模型四周采用法向位移約束，模型底部采用位移約束，約束X、Y及Z方向位移。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(4)中，給各結(jié)構(gòu)、連接單元及彈簧阻尼單元賦材料屬性是指：鋼軌、軌道板、底座板采用線彈性本構(gòu)模型模擬，路基基床、路基本體及地基采用彈塑性本構(gòu)模型模擬，并賦予與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符的材料參數(shù)；給連接單元賦予垂向、縱向及橫向的剛度和阻尼，給彈簧阻尼單元賦予垂向、縱向及橫向的剛度和阻尼。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(4)中，劃分網(wǎng)格的具體方法是：整體實(shí)體模型均采用3維8節(jié)點(diǎn)縮減積分實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)軌道板單元采用增強(qiáng)沙漏控制；模型網(wǎng)格采用非均勻網(wǎng)格劃分，均采用六面體網(wǎng)格單元，從軌道中心線到兩側(cè)邊界由密到疏單元大小設(shè)置。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(5)的具體方法是：在ABAQUS的Load模塊中設(shè)置車輛結(jié)構(gòu)通過剛體約束所綁定的特征位置參考點(diǎn)的初始速度預(yù)定義場(chǎng)，給車體、轉(zhuǎn)向架特征位置參考點(diǎn)施加列車行駛初始平動(dòng)速度，給輪對(duì)的輪軸中心參考點(diǎn)施加行駛初始平動(dòng)速度和與初始平動(dòng)速度相匹配的初始滾動(dòng)角速度。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鐵路路基耦合建模分析方法，其特征在于，步驟(6)的具體方法是：給車體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)所綁定的特征位置的參考點(diǎn)分別施加相當(dāng)于車體、轉(zhuǎn)向架及輪對(duì)自重荷載的集中力，然后設(shè)置計(jì)算時(shí)間，采用動(dòng)力顯式求解器進(jìn)行有限元?jiǎng)恿τ?jì)算。