基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理

为从细观上研究捣固和吹砟的维护机理,建立了离散元道砟箱数值模型,并耦合多体动力学的捣固镐模型和计算流体力学的吹砟管模型,对捣固与吹砟的作业全过程进行可视化模拟,基于离散元耦合数值模拟,对比分析了2种道床维护方法对道床扰动及作业后轨枕沉降.结果表明：吹砟作业各阶段对道床的扰动和道砟平均接触力均小于捣固,且扰动主要集中在下插阶段,吹砟作业过程中道砟颗粒速度峰值和接触应力峰值仅为捣固的37.5%和38.9%;捣固后,轨枕底部区域密实度提高了约13.6%,轨枕间上部和下部区域密实度分别降低了约21.0%和提高了约4.8%;吹砟后,轨枕底部区域密实度提高了约6.5%,轨枕间上部和下部区域密实度几乎无变化;在轨枕底部吹入碎石,吹砟作业极大地改善了轨枕底的接触状态和应力扩散,轨枕与道砟颗粒接触数增加了约243%,荷载传递更均匀;1 000次循环加载后,吹砟作业后的轨枕沉降相较捣固和未维护工况分别减少了约18.1%和44.4%.     

基于离散单元法的铁路板结道床动力特性分析

为研究铁路有砟道床板结对其自身动力特性的影响，利用离散单元法并考虑道砟颗粒的真实外形建立了板结道床的仿真分析模型，分析了脏污板结及板结程度对有砟道床动态响应的影响，并探讨了板结引起道床弹性损失、刚度变大的细观机理. 研究结果表明:道床板结会增大道床中道砟颗粒的振动水平，并且板结越严重影响越明显，板结可将道砟颗粒的振动加速度增大20%～30%；板结会加强列车荷载对道床的冲击作用，增大道砟颗粒之间的接触力容易引起道砟颗粒破碎劣化；板结会放大不同位置处道床工作性能的差异，增大道床刚度的不均匀性；道砟颗粒之间的脏污板结材质会抑制道砟颗粒的相对移动，可将道砟颗粒的滑动分数降低至正常的50%左右，减小列车荷载作用下道床整体的宏观变形，从而呈现出刚度增大的特性.      

胶粘道床横向阻力特性试验和离散元分析

为揭示胶粘道床横向阻力的工作机理,在高速铁路胶粘道床路段进行了横向阻力现场试验.分析了胶粘道床横向阻力的变化特征;利用离散元软件PFC3D(particle flow code in 3 dimensions)建立了胶粘道床三维模型,对胶粘道床内部接触力、应力进行了统计分析.研究结果表明:用胶状态下胶粘道床横向阻力值是有砟道床规范值的4.6倍,横向阻力提升显著;胶粘道床在提升横向阻力的同时,轨枕-道砟接触点压力值最大为1.2 KN,平均值为112.48 N,道砟仍处于良好的受力状态;道床全断面粘结时应保证枕下26 cm范围道砟胶喷涂的充分和均匀,以确保道床粘结效果的发挥;胶粘道床不同位置对横向阻力的分担比相对于有砟道床变化明显,胶粘道床枕侧承担63%、枕底承担24%、砟肩承担13%.     

道床断面尺寸对道床横向阻力的影响

为揭示道床横向阻力变化特征,采用离散元法,建立了高速铁路有砟道床-轨枕三维模型,研究了道床边坡坡度、顶面宽度、道床厚度和砟肩堆高等道床断面尺寸对其横向阻力的影响,分析了枕底、枕侧和砟肩阻力及其分担的横向阻力比例.结果表明:坡度为 1:1.50~1:1.85时,横向阻力为10.315~16.475 kN,坡度为 1:1.65及更缓能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.顶面宽度为3.0~3.8 m时,横向阻力为10.205~15.715 kN,顶面宽度为3.4 m及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.随边坡变缓或顶面宽度增大,砟肩道砟增多,砟肩阻力显著增大.道床厚度为200~400 mm时,横向阻力为9.156~15.684 kN;横向推动轨枕时,道床从上向下分层拖动;随道床厚度增大,枕底阻力明显增大,道床厚度为300 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.砟肩堆高为0~180 mm时,砟肩阻力为2.010~5.203 kN,横向阻力为9.526~15.257 kN,砟肩堆高对砟肩阻力影响很大,堆高120 mm及以上能满足横向阻力超过12 kN/枕的要求.      

格栅加筋道砟界面宏细观力学响应的离散元研究

为揭示格栅-道砟协同作用机制并明确界面强度衰减的内在机理,建立三维离散元模型对格栅加筋道砟界面力学行为进行了研究,模拟过程中充分考虑了道砟棱角特性及空间定向的随机性,模拟结果显示,拉拔荷载主要由筋材首条横肋承担,筋土强相互作用区域大致为筋材首条横肋前端两倍网孔长度处,而界面宏观强度降低的内在原因在于颗粒体系承载骨架的失效。研究成果将为加筋有砟道床工作机制的理解和工作性能的优化提供参考。     

基于离散元分析的高速铁路桥上轨枕选型

为合理选择高速铁路桥上有砟轨道轨枕形式,在轨枕形式的综合调研基础上,采用PFC 3D离散元软件,建立了Ⅲ型轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕和框架型轨枕的轨枕-道床模型,对高速铁路桥上有砟轨道结构进行了数值分析.结果表明:4种轨枕都具有较大的轨道框架刚度,具备持久保持轨道几何形位和稳定性的能力;宽轨枕和框架型轨枕与道床的接触力分布较均匀,最大接触力也较小,比Ⅲ型轨枕更适用于高速铁路桥上有砟轨道结构.但考虑到框架型轨枕的优势不明显以及尚未开发相应的养护维修设备,建议高速铁路桥上有砟轨道采用宽轨枕.      

有砟道床梯形轨枕横向阻力试验与构成分析

梯形轨枕具有稳定性好、振动小的优点,并能减弱传递给轨道的动荷载,使得梯形轨枕在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通中均有较好表现,但是其横向阻力一直未进行系统试验研究. 本文研究了不同砟肩宽度（200、300、400、500 mm）梯型轨枕道床横向阻力,分析了阻力构成,并与Ⅲc型轨枕对比. 结果表明,在砟肩宽度均为500 mm道床上,平肩式梯形轨枕与平肩式及砟肩堆高150 mm、Ⅲc型轨枕相比,阻力分别提升了约55%、14%,并且,平肩式道床砟肩宽度由200 mm增加至500 mm过程中,梯形轨枕道床横向阻力无明显增长,其横向阻力主要由3部分构成,其中轨枕底面与道床摩擦提供约34%,枕心部位提供约47%,轨枕端部提供约19%. 试验表明,采用梯形轨枕,可选用较小截面尺寸的道床,从而大幅节约建设用地及道砟用量.      

无砟轨道路基不均匀沉降区高速列车动力特性

为研究路基不均匀沉降对无砟轨道损伤及高速列车动力响应的影响，基于混凝土塑性损伤理论，建立了可考虑无砟道床混凝土损伤行为的车辆-无砟轨道-路基耦合动力学模型，并与线弹性模型计算结果进行对比，分析路基不均匀沉降波长、幅值及行车速度对高速列车动力学特性的影响.结果表明：路基不均匀沉降会造成无砟道床损伤，塑性损伤模型计算结果更能反映轨道服役状态；在各车辆动力学指标中，车体垂向加速度受路基沉降幅值影响最大；车辆动力学响应对波长20 m以下的路基不均匀沉降较为敏感，应对其重点关注；行车速度的增大会增加车辆动力响应，使轮轨作用力明显提升，车辆平稳性指标呈现接近线性的增长趋势.     

列车荷载下考虑道床裂纹的无砟轨道受力特性

为研究道床裂纹对无砟轨道受力的影响,根据道床裂纹的特点,基于线弹性断裂力学理论,构造20节点六面体奇异等参单元反映裂纹尖端奇异,建立含裂纹的无砟轨道空间有限元模型,分析无砟轨道的受力特性.结果表明:道床裂纹对钢轨和道床板垂向位移影响较小,对道床板中上部混凝土及钢筋受力的影响不明显,道床下层钢筋应力在裂纹处发生突变,静态和动态裂纹宽度基本相同;对于道床底面60 mm等深裂纹,在列车荷载作用下,裂纹处钢筋应力增大为未开裂时的2倍左右,裂纹张开0.017 mm.     

风沙区铁路有碴道床动力特性的离散元模拟及参数优化设计

项目类型：青年科学基金项目 项目编号：50808027 项目摘要：针对风沙环境下铁路有碴道床在列车往复荷载下的非均匀沉降、弹性降低和拱道现象,采用离散元方法对沙粒一道碴混合颗粒系统的动力特性进行数值模拟,并依此进行道床设计的参数优化．为此,本申请项目将针对道碴颗粒的非规则形态和受压破碎特性,考虑颗粒间滑动与滚动摩擦的共同影响,