[發明專利]一種板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷行為計算方法

有效

• 申請號: 202011118898.4
• 申請日: 2020-10-19
• 公開（公告）號: CN112214919B
• 公開（公告）日: 2021-08-17
• 發明（設計）人: 任娟娟;鄧世杰;鄭健龍;張軍輝;韋凱;杜威;章愷堯;葉文龍;田晉丞;劉偉;楊軻昕;張穎
• 申請（專利權）人: 西南交通大學;長沙理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/04;G06F119/14;G06F119/02
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

本發明公開了一種板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷行為計算方法，通過將試驗所得CA砂漿的疲勞方程引入到CA砂漿的損傷本構關系中，并嵌入至CRTS I型板式無砟軌道精細化仿真計算模型中，實現了應力場與損傷場相互耦合作用，搭建了一套基于損傷?有限元全耦合技術的CRTS I型板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷計算模型。本發明較好地說明了結構損傷與結構受力之間的相互影響機制，并且可以方便地推廣到無砟軌道各個功能部件的高周疲勞損傷分析中，為無砟軌道疲勞損傷問題及防治改善工作提供了理論指導。

技術領域

本發明屬于軌道疲勞損傷行為技術領域，具體涉及一種板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷行為計算方法的設計。

背景技術

CRTS I型板式無砟軌道作為我國高速鐵路以及客運專線主要軌道型式之一，具有良好的穩定性和平順性、較低的建筑高度、施工簡單以及很好的減振效果。軌道結構主要由鋼軌、扣件系統、軌道板、CA砂漿層以及混凝土底座板組成。其中，CA砂漿作為CRTS I型板式無砟軌道關鍵部件之一，具有支承、傳荷、調平以及減振等作用。

由于無砟軌道設計年限為60年，在服役過程中軌道將承受上千萬次甚至上億次的列車荷載作用，CA砂漿層在長期的列車荷載作用下容易發生疲勞破壞。目前已有不少學者圍繞CA砂漿的疲勞壽命展開了研究，一方面多數研究通過室內試驗研究CA砂漿壽命影響因素，建立了相應的疲勞方程或獲取疲勞開裂特性，但是試驗所需金錢和時間成本較大；另一方面，部分學者從連續介質損傷力學理論出發，推導了CA砂漿單軸疲勞損傷本構模型，較好的描述了受一定次數疲勞荷載作用下CA砂漿的全應力-應變關系。也有文獻在前人研究的對CA砂漿的疲勞問題上進行主要參數影響分析，并借助有限元軟件得到了不同線路條件或材料不同劣化程度對疲勞壽命的影響。

目前針對CA砂漿的疲勞損傷使用較普遍的還是Palmgren-Miner線性損傷準則，使設計壽命偏安全保守。但是在使用線性損傷準則分析疲勞問題時，幾乎均是首先獲取正常狀態下結構的應力狀態，然后借助S-N曲線得到結構受力最不利位置處的疲勞壽命。如果存在多級疲勞，再利用線性損傷準則得到若干個應力水平下在一定疲勞次數后的總損傷，最終確定損傷臨界條件下的疲勞壽命。這種分析方法實際上是一種從荷載應力與疲勞損傷兩個角度分別獨立分析的全解耦方法。然而在無砟軌道結構承受百萬甚至上千萬次列車荷載過程中，疲勞損傷累積到一定程度后由于各截面損傷不一致勢必造成軌道結構部件應力應變的重分布，由于全解耦方法沒有考慮損傷對應力應變分布的影響，因此在疲勞損傷累積一段時間后其計算結果將產生一定的誤差。究其根本，是因為現有結構分析有限元軟件沒有現成的關于耦合線性損傷準則條件下的CA砂漿疲勞損傷本構模型，若進行耦合損傷分析需要進行二次開發。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有針對CA砂漿的疲勞損傷分析采用的全解耦方法沒有考慮損傷對應力應變分布的影響，在疲勞損傷累積一段時間后其計算結果將產生一定的誤差的問題，提出了一種板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷行為計算方法。

本發明的技術方案為：一種板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷行為計算方法，包括以下步驟：

S1、根據CA砂漿疲勞試驗獲取CA砂漿疲勞方程回歸參數h和b，建立CA砂漿S-N曲線，并基于Palmgren-Miner準則得到CA砂漿高周疲勞損傷增量。

S2、基于連續介質力學理論，根據CA砂漿高周疲勞損傷增量構建張量形式的高周疲勞損傷本構模型。

S3、根據高周疲勞損傷本構模型，采用FORTRAN 77語言自編程CA砂漿高周疲勞損傷本構子程序，并在子程序中對不同分析步的計算流程分別進行定義，實現循環加載。

S4、應用python腳本語言自動化指定子程序中不同分析步的作用功能和荷載的加卸載功能。

S5、對CA砂漿高周疲勞損傷本構子程序進行單元驗證，并將驗證成功的子程序嵌入至板式無砟軌道三維局部精細化有限元模型中，得到基于損傷-有限元全耦合技術的板式無砟軌道CA砂漿高周疲勞損傷計算模型。