[發明專利]考慮輪軌滾動接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法

有效

• 申請號: 201811636807.9
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109376503B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 魏麗敏;李雙龍;何群
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F30/13
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙) 43214
• 代理人: 鄭雋;吳婷

本發明提供了一種考慮輪軌滾動接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法，通過建立車輛模型、軌道模型及路基結構模型，采用連接單元實現了車輛的二系懸掛系統模擬，采用彈簧阻尼單元實現了鋼軌與無砟軌道板傳力扣件的模擬，采用運動耦合約束結合初始速度的預定義場實現了輪對輪緣面與軌面的滾動接觸力學行為的模擬。在考慮了車輛?軌道?路基耦合作用的同時，真實反映了輪軌在輪對與鋼軌軌面滾動接觸作用下的力學響應，是一種更加接近高鐵真實行車過程的三維有限元建模分析方法。采用本發明建立的高速鐵路路基分析模型，可以得到各結構更符合實際力學特征的計算結果，能有效指導高速鐵路路基動力響應的分析計算及路基結構的合理設計。

技術領域

本發明涉及鐵路工程計算機輔助設計技術領域，特別地，涉及一種考慮輪軌滾動接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法。

背景技術

目前我國正處于高速鐵路建設的迅猛發展時期，新的問題與挑戰應運而生。列車提速與軸重加大等都會影響列車與路基結構的振動強度，車輛與軌道之間、軌道與路基之間的耦合作用對路基動力響應的影響也會相應增大。

關于車輛、軌道及路基結構動力響應方面的研究在理論研究、試驗測試及數值模擬上都已取得很多成果。大量研究表明采用有限元軟件模擬高鐵行車過程對路基振動的影響是可行的，但仍存在如下不足：

(1)將列車行車荷載轉化為直接作用于軌道或路基結構的周期荷載或者簡化為移動點荷載，忽略了車體結構或軌道結構的影響，沒有考慮車輛-軌道-路基結構的耦合作用；顯然，單獨分析軌道結構和單獨分析路基、地基結構的分析方法忽略了車輛-軌道-路基之間力與變形協調的事實，不能滿足三者的相容條件。

(2)在輪軌關系的建模分析中，僅將輪對輪緣踏面與鋼軌面簡化為平動接觸，將輪對視為平動，與軌道平行接觸，不發生滾動，不能反映輪緣踏面與鋼軌面滾動接觸的力學行為。而且在分析軌道不平順的問題時，是否考慮輪對的滾動效應對計算結果有較大影響，而考慮輪對滾動接觸作用更符合輪軌關系實際力學特征。

發明內容

本發明目的在于提供一種更符合高鐵行車輪軌關系實際力學特征的的建模方法，即考慮輪軌滾動接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法，以解決目前高速鐵路路基動力響應有限元分析精度不夠的技術問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種考慮輪軌滾動接觸的高速鐵路路基耦合建模分析方法，包括以下步驟：

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

(2)采用連接單元模擬車體與轉向架、轉向架與輪對的二系懸掛系統，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；

(3)建立輪對的輪軸中心參考點與輪緣面的運動耦合約束以及輪對的輪緣、踏面與鋼軌軌面的面-面接觸關系；

(4)根據實際情況在模型周邊設置人工阻尼邊界，同時給各結構、連接單元及彈簧阻尼單元賦材料屬性，并對實體模型劃分網格；

(5)設置車體、轉向架的初始平動速度預定義場，設置輪對輪軸中心點沿軌道運動的滾動初始角速度和與角速度相匹配的初始平動速度的預定義場；

(6)施加車體、轉向架及輪對自重荷載，采用動力顯式求解器進行有限元動力計算。

作為優選的技術方案之一，步驟(1)中，提取簡化結構幾何參數包括：各結構的位置、長度、厚度和寬度等。

作為優選的技術方案之一，步驟(1)中，建立ABAQUS有限元模型是指采用ABAQUS有限元軟件建立各結構有限元模型。