一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法技术

本发明专利技术公开一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法，包括如下步骤：建立无砟轨道的有限元模型；对所述有限元模型施加所需载荷、边界条件，对所述有限元模型进行受力分析；在疲劳分析软件中导入受力分析结果，进行所述有限元模型的疲劳性能分析；基于扩展有限元方法在所述有限元模型中定义轨道结构材料的断裂力学参数，选择所述疲劳性能分析中寿命临界部位为破坏区域，计算病害的产生以及不断发展演变规律；在所述有限元模型上增加列车轮轨耦合模型，并将所述病害施加在轨道结构上，计算出轨道结构发生病害后列车的横向加速度、垂直加速度、脱轨系数和轮重减载率，分析评价所述病害对列车运行的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高速铁路无砟轨道的病害分析方法。更具体地，涉及一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法。
技术介绍
从19世纪60年代开始，高速铁路无砟轨道结构在德国、日本、英国、意大利等国家得到发展并逐步广泛应用，经过40多年的发展，无砟轨道经历了数量上由少到多，技术上由浅到深，品种上由单一到多种，铺设范围上由桥隧到土质路基铺设的发展历程。目前高速铁路比较发达的国家大都采用无砟轨道作为主要的轨道结构型式。随着运营，无砟轨道的各种伤损病害不断出现，病害的类型也呈多样化发展。无砟轨道的病害从其发展部位上来分主要有：无砟轨道钢轨病害、扣件病害、混凝土轨道板病害、CA砂浆病害、底座板病害、下部基础及温度变化导致的主体结构病害、附属结构病害等多种形式。其中，无砟轨道病害方面比较典型及常见的有轨道板开裂、层间离缝、轨道板上拱、底座板与支承层开裂劣化、两布一膜失效等。由此可见针对高速铁路无砟轨道形成成套的病害分析方法，进而指导后期的维护，不仅是迫切需求，而且有着巨大的应用空间。目前针对无砟轨道病害的分析方法主要是采用有限元方法进行受力分析，也出现了采用疲劳分析软件进行寿命预测，或者室内试验，但这些分析方法都有明显的局限性，如有限元难以分析轨道板发生裂纹、离缝、上拱等不连续问题，疲劳分析难以结合力学分析结果，而试验研究需要大量经费支持。因此，需要提供一种新的无砟轨道病害分析方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法，该方法实现了从无砟轨道病害的发生预测到病害的演变规律研究，再到对病害产生影响评价的成套理论分析技术。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法，包括如下步骤：根据高速铁路无砟轨道的几何尺寸和材料属性，建立无砟轨道的有限元模型；对所述有限元模型施加所需载荷、边界条件，创建所要分析对象的节点集合或单元集合，对所述有限元模型进行受力分析；在疲劳分析软件中导入受力分析结果，进行所述有限元模型的疲劳性能分析；基于扩展有限元方法在所述有限元模型中定义轨道结构材料的断裂力学参数，选择所述疲劳性能分析中寿命临界部位为破坏区域，计算病害的产生以及不断发展演变规律；在所述有限元模型上增加列车轮轨耦合模型，并将所述病害施加在轨道结构上，计算出轨道结构发生病害后列车的横向加速度、垂直加速度、脱轨系数和轮重减载率，分析评价所述病害对列车运行的影响。优选地，所述无砟轨道的有限元模型包括：钢轨、扣件、无砟轨道板、砂浆层、支承层和下部基础，所述钢轨采用60kg/m钢轨实体模型，所述扣件采用弹簧，所述无砟轨道板和支承层采用混凝土实体结构，所述砂浆层采用CA砂浆，所述下部基础采用路基或桥梁。优选地，所述无砟轨道的有限元模型的材料属性包括：密度、弹性模量、泊松比、阻尼、导热系数和比热容。优选地，对所述有限元模型施加的载荷包括列车动载荷和/或温度载荷。优选地，采用基于应力的GOODMAN理论对有限元模型进行疲劳性能分析，得出分析对象的疲劳寿命云图以及疲劳寿命次数，以及在该荷载作用下轨道结构的寿命最低点和破坏形式。优选地，通过连续三维视图或视频的方式反映所述病害的发展演变过程。优选地，高速列车模型包括车体、转向架、轮对、一系悬挂和二系悬挂，将高速列车模型与所述无砟轨道的模型进行耦合。优选地，所述高速列车列车模型与所述有限元模型的钢轨之间采用赫兹接触。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供一种适用于无砟轨道离缝、开裂等病害的成套理论分析方法，该方法能够预测无砟轨道病害发生的时机，并对病害后续的发展演变规律进行分析，对病害的发展过程能够三维可视化，同时基于轮轨耦合评价病害对行车的影响。该成套理论方法能够用以指导高速铁路无砟轨道的养护维修方案制定。疲劳分析的案例虽然已经存在，使用该方法的研究人员仅将该方法用于普通结构的寿命分析，存在较大的局限性；扩展有限元方法的研究人员仅将其用于不连续问题的求解；二者互相分离。无砟轨道病害是一个长期列车动荷载和外部环境作用累计形成的，形成后在荷载作用下还会不断发展变化；研究无砟轨道病害时，既需要分析前期的形成过程，用以预防病害；又需要掌握其后续发展规律用以指导养护维修，因此本专利技术打破传统的单一学科思想，采用多学科交叉互补的优势，专利技术人在研究中发现将疲劳分析方法和扩展有限元方法结合起来，作为一种无砟轨道病害成套分析技术具有独特的优势。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出本专利技术的流程图。图2示出本专利技术中有限元模型的结构示意图。图3示出本专利技术中有限元模型的横截面结构示意图。图4示出本专利技术中有限元模型受力分析的边界条件示意图。图5示出本专利技术中有限元模型中轨道结构施加温度载荷示意图。图6示出本专利技术中升温时无砟轨道应力云图。图7示出本专利技术中降温时无砟轨道应力云图。图8示出本专利技术中应力应变结果文件导入疲劳分析软件截图。图9示出本专利技术中砂浆层疲劳性能参数截图。图10示出本专利技术中试验测得S-N曲线。图11示出本专利技术中砂浆层疲劳分析结果。图12示出本专利技术中初始离缝区示意图。图13示出本专利技术中离缝开始发展示意图。图14示出本专利技术中离缝发展过程示意图。图15示出本专利技术中离缝发展过程示意图。图16示出本专利技术中列车轨道结构耦合模型示意图。图17示出本专利技术中车体垂直加速度对比图。图18示出本专利技术中脱轨系数对比图。图19示出本专利技术中轮重减载率对比图。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。如图1本方法流程图所示，一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法包括如下步骤：1)无砟轨道整体模型的建立，建立如图2和图3所示的无砟轨道整体结构的有限元模型，由上到下包括钢轨1、扣件2、无砟轨道板3、砂浆层4、底座板5、下部路基6。各部件的材料属性如下表所示：类别导热系数(W/(m·K)线膨胀系数(1/T)密度(kg/m3)弹性模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法，其特征在于，包括如下步骤：根据高速铁路无砟轨道的几何尺寸和材料属性，建立无砟轨道的有限元模型；对所述有限元模型施加所需载荷、边界条件，创建所要分析对象的节点集合或单元集合，对所述有限元模型进行受力分析；在疲劳分析软件中导入受力分析结果，进行所述有限元模型的疲劳性能分析；基于扩展有限元方法在所述有限元模型中定义轨道结构材料的断裂力学参数，选择所述疲劳性能分析中寿命临界部位为破坏区域，计算病害的产生以及不断发展演变规律；在所述有限元模型上增加列车轮轨耦合模型，并将所述病害施加在轨道结构上，计算出轨道结构发生病害后列车的横向加速度、垂直加速度、脱轨系数和轮重减载率，分析评价所述病害对列车运行的影响。

【技术特征摘要】
1.一种基于扩展有限元与疲劳分析联合求解的无砟轨道病害分析方法，
其特征在于，包括如下步骤：
根据高速铁路无砟轨道的几何尺寸和材料属性，建立无砟轨道的有限元
模型；
对所述有限元模型施加所需载荷、边界条件，创建所要分析对象的节点
集合或单元集合，对所述有限元模型进行受力分析；
在疲劳分析软件中导入受力分析结果，进行所述有限元模型的疲劳性能
分析；
基于扩展有限元方法在所述有限元模型中定义轨道结构材料的断裂力学
参数，选择所述疲劳性能分析中寿命临界部位为破坏区域，计算病害的产生
以及不断发展演变规律；
在所述有限元模型上增加列车轮轨耦合模型，并将所述病害施加在轨道
结构上，计算出轨道结构发生病害后列车的横向加速度、垂直加速度、脱轨
系数和轮重减载率，分析评价所述病害对列车运行的影响。
2.根据权利要求1所述的无砟轨道病害分析方法，其特征在于：所述无
砟轨道的有限元模型包括：钢轨、扣件、无砟轨道板、砂浆层、支承层和下
部基础，所述钢轨采用60kg/m钢轨实体模型，所述扣件采用弹簧，所述无砟
轨道板和支承层采用混凝土实体结构，所述砂浆层采用CA...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖宏，高亮，张艳荣，辛涛，井国庆，李启航，王嘉斌，刘光鹏，吴思行，令行，刘明宇，陆永港，
申请(专利权)人：北京交通大学，中国铁路总公司，
类型：发明
国别省市：北京;11