考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法与流程

本发明涉及铁路工程计算机辅助设计技术领域，特别地，涉及一种考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法。

背景技术：

目前我国正处于高速铁路建设的迅猛发展时期，新的问题与挑战应运而生。列车提速与轴重加大等都会影响列车与路基结构的振动强度，车辆与轨道之间、轨道与路基之间的耦合作用对路基动力响应的影响也会相应增大。

关于车辆、轨道及路基结构动力响应方面的研究在理论研究、试验测试及数值模拟上都已取得很多成果。大量研究表明采用有限元软件模拟高铁行车过程对路基振动的影响是可行的，但仍存在如下不足：

(1)将列车行车荷载转化为直接作用于轨道或路基结构的周期荷载或者简化为移动点荷载，忽略了车体结构或轨道结构的影响，没有考虑车辆-轨道-路基结构的耦合作用；显然，单独分析轨道结构和单独分析路基、地基结构的分析方法忽略了车辆-轨道-路基之间力与变形协调的事实，不能满足三者的相容条件。

(2)在轮轨关系的建模分析中，仅将轮对轮缘踏面与钢轨面简化为平动接触，将轮对视为平动，与轨道平行接触，不发生滚动，不能反映轮缘踏面与钢轨面滚动接触的力学行为。而且在分析轨道不平顺的问题时，是否考虑轮对的滚动效应对计算结果有较大影响，而考虑轮对滚动接触作用更符合轮轨关系实际力学特征。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种更符合高铁行车轮轨关系实际力学特征的的建模方法，即考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法，以解决目前高速铁路路基动力响应有限元分析精度不够的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法，包括以下步骤：

(1)将整体结构简化为由车辆、轨道及路基组成的简化结构，提取简化结构几何参数，建立abaqus有限元模型；其中，所述车辆结构简化为车体、转向架和轮对，轨道结构简化为钢轨、无砟轨道板，路基结构简化为底座板、路基基床、路基本体及地基；

(2)采用连接单元模拟车体与转向架、转向架与轮对的二系悬挂系统，采用弹簧阻尼单元模拟钢轨与无砟轨道板之间的扣件系统；

(3)建立轮对的轮轴中心参考点与轮缘面的运动耦合约束以及轮对的轮缘、踏面与钢轨轨面的面-面接触关系；

(4)根据实际情况在模型周边设置人工阻尼边界，同时给各结构、连接单元及弹簧阻尼单元赋材料属性，并对实体模型划分网格；

(5)设置车体、转向架的初始平动速度预定义场，设置轮对轮轴中心点沿轨道运动的滚动初始角速度和与角速度相匹配的初始平动速度的预定义场；

(6)施加车体、转向架及轮对自重荷载，采用动力显式求解器进行有限元动力计算。

作为优选的技术方案之一，步骤(1)中，提取简化结构几何参数包括：各结构的位置、长度、厚度和宽度等。

作为优选的技术方案之一，步骤(1)中，建立abaqus有限元模型是指采用abaqus有限元软件建立各结构有限元模型。

作为优选的技术方案之一，步骤(2)的具体方法为：通过刚体约束将车辆结构(包含车体、转向架、轮对)设置为刚体，并绑定车体、转向架、轮对特征位置的参考点，采用连接单元模拟车体参考点与转向架参考点之间的悬挂系统，采用连接单元模拟转向架参考点与轮对参考点之间的悬挂系统，采用弹簧阻尼单元模拟钢轨节点与无砟轨道板节点的扣件系统。

作为优选的技术方案之一，步骤(2)中，所述连接单元为“笛卡尔”的连接单元，所述弹簧阻尼单元为连接两点的弹簧阻尼单元。

作为进一步优选的技术方案之一，应用abaqus中的interaction模块采用连接类型为“笛卡尔”的连接单元建立所述悬挂系统，应用abaqus中的interaction模块采用连接两点的弹簧阻尼单元建立所述的扣件系统。

作为优选的技术方案之一，步骤(3)的具体方法为：建立轮对的轮轴中心参考点与轮缘面的运动耦合约束，将轮轴中心参考点三个平动自由度及三个转动自由度与轮缘面进行耦合，然后，分别选取轮对轮缘踏面与钢轨轨面建立表面集合，以轮缘踏面集合为主面(master-surface)，钢轨轨面集合为从面(slave-surface)，采用面面接触的方式建立接触关系，采用‘tabular’关系曲线的接触压力-过盈量模式确定轮轨接触面法向力，采用静-动指数衰减摩擦系数求解轮轨切向力。

作为优选的技术方案之一，步骤(4)中，根据实际模型范围在模型周边设置人工阻尼边界单元防止动力波的反射；模型四周采用法向位移约束，模型底部采用位移约束，约束x、y及z方向位移。

作为优选的技术方案之一，步骤(4)中，给各结构、连接单元及弹簧阻尼单元赋材料属性是指：钢轨、轨道板、底座板采用线弹性本构模型模拟，路基基床、路基本体及地基采用弹塑性本构模型模拟，并赋予与实际结构相符的材料参数；给连接单元赋予垂向、纵向及横向的刚度和阻尼，给弹簧阻尼单元赋予垂向、纵向及横向的刚度和阻尼。

作为优选的技术方案之一，步骤(4)中，划分网格的具体方法是：整体实体模型(除了连接单元和弹簧阻尼单元)均采用3维8节点缩减积分实体单元(c3d8r)进行网格划分，同时轨道板单元采用增强沙漏控制；模型网格采用非均匀网格划分，均采用六面体网格单元，从轨道中心线到两侧边界由密到疏单元大小设置。

作为优选的技术方案之一，步骤(5)的具体方法是：在abaqus的‘load’模块中设置车辆结构(包含车体、转向架、轮对)通过刚体约束所绑定的特征位置参考点的初始速度预定义场，给车体、转向架特征位置参考点施加列车行驶初始平动速度，给轮对的轮轴中心参考点施加行驶初始平动速度和与初始平动速度相匹配的初始滚动角速度。

作为优选的技术方案之一，步骤(6)的具体方法是：给车体、转向架及轮对所绑定的特征位置的参考点分别施加相当于车体、转向架及轮对自重荷载的集中力，然后设置计算时间，采用动力显式求解器进行有限元动力计算。

本发明具有以下有益效果：

针对现有高速铁路建模分析方法无法考虑轮轨滚动接触作用的不足，本发明基于abaqus软件，在考虑了车辆-轨道-路基耦合作用的同时，提出了一种可以实现轮-轨滚动接触作用的高速铁路路基耦合建模分析方法，能够较大程度提高高速铁路路基动力响应有限元数值分析的精度，是一种更加接近高铁真实行车过程的三维有限元建模分析方法。采用本发明建立的高速铁路路基耦合建模分析模型，模型设置更加合理全面，结构更加精细，各项参数可根据不同工程结构设计参数和现场实测数据进行取值，可计算不同列车车速、轴重下各结构的动力响应，得到的计算结果更符合实际高铁行车荷载激励下的动力响应特征，能有效指导高速铁路路基动力响应分析计算及路基结构的合理设计。具体如下：

1.采用连接单元及弹簧阻尼单元实现了多车辆-轨道-路基的动力耦合作用；

2.建立轮对踏面与钢轨轨面的面面接触，通过施加轮轴中间参考点与轮缘踏面的运动耦合约束，给定轮轴中间参考点初始角速度和初始平移速度的预定义场，实现了轮对轮缘面与钢轨踏面的滚动接触力学行为的模拟，更加符合高铁行车轮轨作用的力学行为。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明建模方法的整体模型简化结构示意图；图2中(a)为横断面图，图2中(b)为纵断面图，图2中(c)与图2中(d)为细部结构放大图；

图3为本发明建模方法中模拟轮轨滚动接触的示意图及参数取值示意图；图3中(a)，轮轨接触法向力由接触力-压缩关系曲线确定，图3中(b)，轮轨切向力采用静-动指数衰减摩擦系数进行求解，静-动指数衰减摩擦系数曲线如图3中(c)；

图4为本发明建模方法的具体几何模型及网格划分图；图4中(a)为具体几何模型图，图4(b)为网格划分图；

图5为采用本发明建模方法计算结果与实测数据的对比图；图5(a)为本发明垂直振动加速度计算结果与实测数据的对比图，图5(b)为本发明垂直振动速度计算结果与实测数据的对比图；

图6为采用本发明建模方法计算得到的典型钢轨轨面节点在行车荷载下的振动加速度时程曲线示意图；

图7为采用本发明建模方法计算得到的典型钢轨轨面节点在行车荷载下的振动位移时程曲线示意图；

图8为采用本发明建模方法计算得到的典型路基基床表层单元在行车荷载下的竖向应力时程曲线示意图；

图9为采用本发明建模方法计算得到的典型路基基床表层节点在行车荷载下的振动位移时程曲线示意图；

其中，1为车体，2为转向架，3为轮对，4为钢轨，5为轨道板，6为底座板，7为路基基床表层，8为地基，9为车体-转向架连接单元，10为转向架-轮对连接单元，11钢轨-轨道板弹簧阻尼单元，12为轮对轮缘表面及踏面，13为钢轨轨面，14为轮对轮轴中心参考点，15为粘弹性人工阻尼边界单元，16为路基基床底层，17为路基基床本体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法，如图1所示流程，具体步骤如下：

(1)将整体模型结构简化为车辆结构(包含车体1、转向架2、轮对3)、轨道结构(包含钢轨4、轨道板5)以及路基结构(包含底座板6、路基基床表层7、路基基床底层16、路基本体17及地基8)的简化结构，如图2所示，图2中(a)为横断面图，图2中(b)为纵断面图，图2中(c)与图2中(d)为细部结构放大图。提取各结构的位置、长度、厚度和宽度等几何参数，采用abaqus有限元软件建立各结构有限元模型；

(2)应用abaqus中的interaction模块采用车体-转向架连接单元9建立车体1与转向架2间的悬挂系统，采用转向架-轮对连接单元10建立转向架2与轮对3之间的悬挂系统，如图2所示；选取钢轨4轨底表面节点与钢轨正下方的轨道板5表面节点，采用钢轨-轨道板弹簧阻尼单元11建立钢轨4与轨道板5的动力传递系统，以此模拟扣件系统，如图2所示；

(3)应用abaqus中的interaction模块，分别选取轮对轮缘踏面12与钢轨轨面13建立表面集合，以轮对轮缘表面及踏面12为主面(master-surface)，钢轨轨面13为从面(slave-surface)，采用面面接触的方式建立接触面，如图3中(a)，轮轨接触法向力由接触力-压缩关系曲线确定，如图3中(b)，轮轨切向力采用静-动指数衰减摩擦系数进行求解，静-动指数衰减摩擦系数曲线如图3中(c)；同时，建立轮对3的轮对轮轴中心参考点14与轮对轮缘表面及踏面12运动耦合约束，如图3中(a)所示；

(4)在模型四周设置粘弹性人工阻尼边界单元15防止动力波的反射，设置阻尼比为1，如图4中(a)；模型四周采用法向位移约束，模型底部采用位移约束，约束x、y及z方向位移。钢轨4、轨道板5、底座板6采用线弹性本构模型模拟，路基基床表层7、路基基床底层16、路基本体17及地基8采用弹塑性本构模型模拟，并赋予与实际工况相符的材料参数；给车体-转向架连接单元9和转向架-轮对连接单元10赋予垂向、纵向及横向刚度和垂向、纵向及横向阻尼，给钢轨-轨道板弹簧阻尼单元11赋予垂向、纵向及横向刚度和垂向、纵向及横向阻尼。整体实体模型(除了车体-转向架连接单元9、转向架-轮对连接单元10以及钢轨-轨道板弹簧阻尼单元11)均采用3维8节点缩减积分实体单元(c3d8r)进行网格划分，同时轨道板5单元采用增强沙漏控制；模型网格采用非均匀网格划分，均采用六面体网格单元，从轨道中心线到两侧边界由密到疏单元大小设置，如图4中(b)。

(5)设置车体1、转向架2通过刚体约束所绑定参考点的行车移动初始速度预定义场，并且设置轮对轮轴中心参考点14沿轨道运动的滚动初始角速度和与角速度相匹配的初始平动速度的预定义场，滚动初始角速度与初始平动速度的关系为v＝ω·r，其中，v为初始平动速度，ω为滚动初始角速度，r为轮对轮缘半径；

(6)给车体1、转向架2及轮对3所绑定的特征位置的参考点分别施加相当于车体、转向架及轮对自重荷载的集中力，然后在‘step’设置计算总时间和时间增量步，采用动力显式求解器进行有限元动力计算。

采用本发明提出的考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法分析沪昆高速铁路(dk722+522.800～dk722+562.000)行车激励引起的路基动力响应，计算参数：高铁列车时速300km/h，列车轴重15t，材料参数按照实际工况选取。详细现场试验监测数据见文献1与文献2。图5分别给出了沪昆高速铁路无砟轨道底座板6的典型测点的垂向振动加速度和垂向振动速度模拟值和实测数据的对比时程曲线，从图5可看出，底座板测点的垂向振动加速度模拟值振动峰值最大值为0.31m/s2，相应地实测值为0.34m/s2；底座板测点的垂向振动速度模拟值振动峰值最大值为0.0076m/s，相应地实测值为0.0078m/s。可见模拟值与实测数据在轮对激励下的振动峰值基本接近，并且模拟值振动峰值的时间节点与实测数据相对应，说明模拟结果与实测数据数值大小与分布规律基本一致，证明采用本发明提出的考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法具有较高精度与可靠性。

取本实施例计算结果中的钢轨4典型轨面节点加速度及位移和路基基床表层7钢轨正下方典型节点位移及单元竖向应力的计算结果进行分析。图6显示了钢轨4表面节点的加速度在双车体行车过程中的时程曲线变化，由图可见加速度轮对效应明显，邻近转向架加速度峰值比单转向架峰值要大，钢轨4垂向加速度最大峰值在100m/s2左右；图7为钢轨4表面节点位移时程变化曲线，在轮对滚动移动荷载下，钢轨4位移出现突增，后又回弹，最大位移约为0.5mm；图8为路基基床表层7钢轨正下方单元振动竖向应力时程曲线，由图可见轮对效应明显，邻近双转向架与单转向架要大；图9为路基基床表层7钢轨正下方节点竖向位移时程曲线，轮对移动荷载作用下，单转向架位移峰值比双转向架应力峰值要小。以上计算结果，曲线规律与数值大小范围与研究文献【文献3-5】中的大量现场实测结果一致，进一步证明采用本发明提出的考虑轮轨滚动接触的高速铁路路基耦合建模分析方法可以获得精度较高的计算结果，与实际列车激励引起的路基动力响应比较吻合，可有效指导高速铁路路基动力响应的分析计算及路基结构的合理设计。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

参考文献

[1]杨哲.高速铁路桥-隧过渡段动力特性试验研究与数值分析[d].中南大学,2016.

[2]袁海超.高速铁路桥-隧深埋式桩板结构过渡段动力特性试验研究与数值分析[d].中南大学,2017.

[3]pingh,chunshunz,jiancs,etal.dynamicresponsesofbridge–embankmenttransitionsinhighspeedrailway:fieldtestsanddataanalyses[j].engineeringstructures,2018,175:565-576.

[4]郭志广,魏丽敏,何群,屈畅姿.武广高速铁路无砟轨道路基动力响应试验研究[j].振动与冲击,2013,32(14):148-152+163.

[5]a,fortunatoe,ruic.transitionzonestorailwaybridges:trackmeasurementsandnumericalmodelling[j].engineeringstructures,2014,80(80):435-443.