车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统及其动力分析方法技术方案

车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，所述轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土-结构动力相互作用模型和地基基础模型；所述求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，所述MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟；所述后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于车辆-轨道-桥梁-地基基础空间耦合模型的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的动力分析方法，属于铁道工程应用计算与设计

技术介绍
既有线路的列车提速、新建客运专线以及高速铁路由于车速较高，为满足行车安全性和乘坐舒适性的要求，相关设计规范中对轨道平顺性以及轨下结构的刚度要求较高；同时从环保、节约土地、场地土条件、地形等方面考虑，中国、法国、德国以及日本等高速轨道交通发达的国家往往在客运专线和高速铁路线路中大量采用高架桥作为轨道的下部结构。以我国近年投入使用的京深港客运专线、郑西客运专线以及京沪客运专线为例，桥梁在整个线路里程中平均所占比例为73%，部分路段最高达到87%以上。相比于传统的路基轨道而言，由于桥梁结构具有较高的刚度，在线路平顺度控制、沉降控制方面都有着较高的优势，故而在以往的研究分析中，大都是采用车辆-轨道-桥梁耦合系统进行动力分析。这种分析方法以基础刚性假定为前提，对于I类、II类场地土而言，由于场地土较硬，采用基础刚性假定不失为一种简便有效的分析方法。但对于穿越深厚软弱土层的桥梁结构而言，场地土往往属于III类或者IV类场地土，地基地基对桥墩的约束无法满足刚性假定，需要考虑基础柔性对上部结构动力响应的影响，因此需要建立车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的动力分析。在车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合振动研究中，由于既要考虑复杂的轮轨接触关系，又要能够反映车辆、轨道、桥梁、地基基础的振动特性，传统研究仅限于车-线-桥耦合系统振动研究，而且限于无法克服的内存和计算效率问题，对轨道、桥梁结构都进行了较多的简化。如常见的车辆动力学软件SIMPACK、NUCARS等，可以容易地实现车辆结构的多体动力学建模，而且自带轮轨接触模块，但是难以细致地对道岔和桥梁进行模拟。而目前的通用有限元计算软件如ANSYS，MARC, DYNIA等软件，虽然擅长对轨道和桥梁等结构进行细致的有限元模拟，但是很难同时进行车辆结构的多刚体动力学建模，且无法直接对轮轨接触关系进行模拟。自编专用计算程序虽然可以实现多体和有限元的混合建模，但单元种类有限，很难对结构细部进行模拟，且往往建模工作繁重。随着我国高速铁路的快速发展，为准确、可靠、快速地对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统进行动力学特性评估，要求一种操作简便、细致完备、快速高效、能够准确反映耦合系统动力学特性的建模及分析方法。因此，研究一种新型的一种已成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的是提出一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，基于MATLAB软件(MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。)提供一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法。本专利技术方法针对自编程序和商业软件的特点，利用MATLAB自编程序模块来完成车辆结构的建模和轮轨之间的动力接触模拟，利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成轨道结构、桥梁结构和地基基础的建模以及轨道-桥梁之间的动力相互作用和桥梁-地基基础之间的动力相互作用模拟，再利用自主开发的接口和控制程序TRBF-DYNA实现MATLAB模块和ANSYS模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行耦合求解技术以及迭代技术控制求解精度。机读编目格式标准(英语:MAchine-ReadableCataloging,缩写:MARC),是一种图书管理的通讯格式标准,用以让图书馆或出版商之间作目录信息交换用途。LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。TRBF-DYNA是基于matlab平台上开发的控制软件，是一个控制模块，用于调用其他的各个模块。本专利技术的技术方案是:一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:包括车辆结构模型、轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型以及桥梁和地基之间的土 -结构动力相互作用模型，TRBF-DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块，前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土 -结构动力相互作用模型和地基基础模型，求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟，后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。优选地，MATLAB前处理模块主要用来构建车辆动力学方程和根据输入的轨道谱生成轨道不平顺样本点；通用有限元模块根据轨道参数、线桥动力相互作用模型、桥梁结构参数、土-结构动力相互作用模型以及地基基础参数构建轨道-桥梁-地基基础有限元模型，并导出有限元模型质量、刚度、阻尼和边界条件参数。优选地，MATLAB轮轨力计算模块主要是根据轮轨接触状态计算轮轨接触点处的接触力以及接触运动状态;MATLAB车辆系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解车辆系统动力方程;MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解轨道-桥梁-地基基础系统动力方程。优选地，MATLAB计算数据存储及图形处理模块用来显示计算过程中车辆实时动画、轮轨接触状态、轨道-桥梁-地基基础系统的实时动画以及计算完成后对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析数据进行存储，并显示动力时程曲线。优选地，车辆结构模型采用刚体动力学建模的多自由度车辆结构模型，或者采用考虑车体各部件柔性的多自由度有限元模型；轨道结构模型为有砟轨道模型或者无砟轨道模型，其中钢轨采用标准的50kg钢轨、60kg钢轨，或者采用自定义的任意形状钢轨；桥梁结构模型采用型钢-混凝土组合梁桥模型、钢筋混凝土简支梁桥模型、钢筋混凝土连续梁桥模型、钢筋混凝土拱桥模型、钢筋混凝土悬索桥模型、钢筋混凝土斜拉桥模型、钢箱简支梁模型、钢箱拱桥模型、钢箱悬索桥模型或者钢箱斜拉桥模型；地基基础模型采用桩基-土体模型或者天然基础-土体模型；轮轨动力接触模型采用不考虑轮轨分离的密贴接触模型、考虑轮轨分离的单点接触模型或者考虑轮轨分离的多点接触模型；车辆结构模型和所述轮轨动力接触模型采用MATLAB模块完成；轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、线桥动力相互作用模型和土-结构动力相本文档来自技高网...

【技术保护点】
车辆?轨道?桥梁?地基基础耦合系统，其特征在于：包括车辆结构模型模块、轨道结构模型模块、桥梁结构模型模块、地基基础模型模块、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型模块、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型模块以及桥梁和地基之间的土?结构动力相互作用模型模块，TRBF?DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块，其中所述前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道?桥梁?地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，所述轨道?桥梁?地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土?结构动力相互作用模型和地基基础模型;所述求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道?桥梁?地基基础系统动力计算模块来实现，所述MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟;所述后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆?轨道?桥梁?地基基础耦合系统。

【技术特征摘要】
1.车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:包括车辆结构模型模块、轨道结构模型模块、桥梁结构模型模块、地基基础模型模块、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型模块、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型模块以及桥梁和地基之间的土-结构动力相互作用模型模块，TRBF-DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块， 其中所述前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，所述轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土 -结构动力相互作用模型和地基基础模型； 所述求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，所述MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟； 所述后处理模块由MATLA B计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。2.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB前处理模块主要用来构建车辆动力学方程和根据输入的轨道谱生成轨道不平顺样本点；所述通用有限元模块根据轨道参数、线桥动力相互作用模型、桥梁结构参数、土 -结构动力相互作用模型以及地基基础参数构建轨道-桥梁-地基基础有限元模型，并导出有限元模型质量、刚度、阻尼和边界条件参数。3.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB轮轨力计算模块主要是根据轮轨接触状态计算轮轨接触点处的接触力以及接触运动状态；所述MATLAB车辆系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解车辆系统动力方程；所述MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解轨道-桥梁-地基基础系统动力方程。4.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB计算数据存储及图形处理模块用来显示计算过程中车辆实时动画、轮轨接触状态、轨道-桥梁-地基基础系统的实时动画以及计算完成后对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析数据进行存储，并显示动力时程曲线。5.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述车辆结构模型采用刚体动力学建模的多自由度车辆结构模型，或者采用考虑车体各部件柔性的多自由度有限元模型； 所述轨道结构模型为有砟轨道模型或者无砟轨道模型，其中钢轨采用标准的50kg钢轨、60kg钢轨，或者采用自定义的任意形状钢轨； 所述桥梁结构模型采用型钢-混凝土组合梁桥模型、钢筋混凝土简支梁桥模型、钢筋混凝土连续梁桥模型、钢筋混凝土拱桥模型、钢筋混凝土悬索桥模型、钢筋混凝土斜拉桥模型、钢箱简支梁模型、钢箱拱桥模型、钢箱悬索桥模型或者钢箱斜拉桥模型； 所述地基基础模型采用桩基-土体模型或者天然基础-土体模型； 所述轮轨动力接触模型采用不考虑轮轨分离的密贴接触模型、考虑轮轨分离的单点接触模型或者考虑轮轨分离的多点接触模型；所述车辆结构模型和所述轮轨动力接触模型采用MATLAB模块完成；轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、线桥动力相互作用模型和土 -结构动力相互作用模型采用通用有限元软件模块完成；在上述建模工作的基础上，接口和控制程序TRBF-DYNA通过MATLAB模块和通用有限元软件模块实现车辆、轨道、桥梁和地基基础之间的相互连接和耦合求解。6.应用于权利要求1所述系统上的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:包括: 车辆结构建模:利 用MATLAB模块来完成车辆结构的建模，求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标； 轨道不平顺样本曲线:利用MATLAB模块来完成轨道不平顺样本曲线生成，可以生成轨道竖向不平顺、横向不平顺、方向不平顺、高低不平顺、轨距不平顺样本曲线； 轨道结构建模:利用通用有限元软件模块来完成轨道结构的建模，求解后得到钢轨结构和轨道板结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 桥梁结构建模:利用通用有限元软件模块来完成桥梁结构的建模，求解后得到桥梁结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 地基基础建模:利用通用有限元软件模块来完成地基基础的建模，求解后得到地基基础的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 耦合求解:在上述建模工作的基础上，分析轮轨之间的动力相互作用、轨道与桥梁之间的动力相互作用、桥梁与地基基础之间的动力相互作用，利用相应接口和控制程序TRBF-DYNA模块实现MATLAB模块和通用有限元模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志辉，
申请(专利权)人：中南大学，高速铁路建造技术国家工程实验室，
类型：发明
国别省市：