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,     

铁路道床路基动力响应的参数影响

根据车轮轨排道碴模型, 得到路基道碴表面荷载, 利用有限元无限元耦合法, 建立了道床路基动力计算模型。结合Newmark积分法逐步求解运动方程, 计算了列车荷载下, 不同道碴厚度与地基刚度下道床路基的振动加速度与动位移。计算结果表明, 道碴厚度对道床路基的动力响应影响显著, 而路基刚度的影响不明显。     

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%.     

循环荷载作用下铁路道床的离散元分析

为研究高速有砟道床中存在的累积沉降变化规律,通过PFC离散元软件,建立一定级配的高速铁路散粒体有砟道床的三维离散元模型.选取循环荷载频率分别为5,10,20,30 Hz,荷载幅值为3,5 kN,共8种荷载工况进行数值模拟,分析了道床力学性能,探讨了循环荷载的频率和振幅对道床沉降的影响.研究结果表明:循环荷载频率不超过2...     

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.      

钢棒加强式轨枕道床的纵横向阻力试验研究

为了探究钢棒加强式轨枕的纵横向阻力机理、分担以及钢棒插入深度和砟肩宽度的影响规律,为川藏铁路长大坡道韧性和稳定性增强提供新方法,通过进行一系列纵横向阻力试验得到了钢棒加强式轨枕纵横向阻力的总体特性和分担情况;通过改变钢棒插入深度和砟肩宽度探究了两者对钢棒加强式轨枕纵横向阻力的影响规律. 结果表明:与普通轨枕相比,钢棒加强式轨枕的纵横向阻力都有提高,当砟肩宽度为500 mm,堆高为0,钢棒插入深度为400 mm时,钢棒加强式轨枕纵横向阻力比肩宽为500 mm、堆高为150 mm条件下普通轨枕分别高39.2%和53.7%,枕底部分横向阻力分担比普通轨枕提升8%,纵向阻力提升26%;钢棒插入深度对道床阻力影响较大,在砟肩宽度为500 mm、堆高为0 时,插入深度由100 mm变至400 mm,相较于普通轨枕肩宽为500 mm、堆高为150 mm的工况,纵向阻力增幅由5.1%变至39.2%,横向阻力增幅由6.1%变至53.7%;砟肩宽度变化时,纵向阻力变化较小,横向阻力变化较大.      

新型钢弹簧浮置道床减振效果分析

为了对新型钢弹簧浮置道床的减振性能进行精确计算,按照动力学相关理论,采用Visual Fortran语言编程,建立轨下连续弹簧支承的双层弹性地基梁模型与车辆模型。利用该计算模型,模拟列车通过时浮置道床的瞬态动力响应。通过对目前的地铁列车进行计算分析,评价新型钢弹簧浮置道床的减振能力,为新型钢弹簧浮置道床的设计提供借鉴参照。     

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.     

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.      

基于颗粒流离散元方法的行人动力学 模型及仿真研究

离散元方法是分析和求解复杂离散颗粒系统问题的一种高效力学数值模拟方 法,对于提高目前行人动力学模型中的求解效率,细致刻画行人运动中的力学关系具有 优势.本文利用颗粒接触理论中的软球模型描述行人的接触及挤压行为,以现有社会力模 型中的主观运动力作为外部输入,构建了基于颗粒流理论的行人运动模型,并在离散元 EDEM仿真平台上实现.通过对不同密度条件下行人运动行为及平均速度的仿真及统计, 对比实测数据,验证了模型的有效性;通过对比不同仿真平台的计算速度,验证了算法的 高效性.研究结果表明：模拟得到的行人流在不同密度下的行为符合现场观测,模拟所得 行人平均速度数据与实测数据基本吻合,所建模型具有较高计算效率.因此,基于颗粒流 理论的离散元方法能够实现对行人运动的模拟,且具有进一步的研究价值.     

基于瞬态边界元法的铁路车轮声辐射研究

轨道车轮的振动声辐射瞬态特性分析能够直观反映车轮结构的时域振动响应和时域声辐射特性.利用有限元/瞬态边界元法的计算机仿真技术,对S形辐板车轮在时域下进行振动及声辐射特性分析.研究结果表明:踏面和辐板的轴向位移响应级基本一致,且轮辋和辐板之间轴向振动存在耦合关系;踏面、轮辋和辐板轴向位移响应级的变化趋势一致,具有类似于"拍"的周期特性;在车轮轴线上距离车轮30m处的声压集中在60~80dB,且随时间的增加整体缓慢上升,再趋于平稳;声压主要分布在3 500Hz以下的频段.研究结果为瞬态声辐射仿真技术在车轮振动声辐射特性研究中的应用提供参考.     

基于三维数值模拟的铁路路基动力特性分析

为探讨列车轴重和运行速度对土质路基动力特性的影响,用ANSYS与FLAC3D软件对有砟轨道-路基系统进行了三维动力数值模拟,在模拟过程中,利用滞后阻尼实现了土体在循环动荷载下的非线性特性.用该方法对达成线循环加载试验段的路基进行建模计算,所得路基动应力与现场实测数据有很好的一致性.在荷载振动频率与客车运行速度的转换过程中,取相邻车厢两个转向架的间距为相邻两个动应力波峰之间的距离,在此基础上,探讨了客车运行速度对土质路基动力性质的影响.研究表明:列车轴重和运行速度对路基表面动应力影响较大,随着轴重的增加和速度的提高,路基表面动应力呈马鞍形分布的趋势愈加明显;动应力沿路基深度的衰减规律受车速的影响很小,不同车速下的动应力在基床表层内都衰减了42%~46%,再经过基床底层的扩散,衰减值达79%~82%.      

用离散元方法研究颗粒外形对摩擦机理的影响

为了揭示颗粒外形对无粘性散体摩擦机理的影响,将无粘性颗粒材料之间的摩擦作用分解为颗粒间宏观咬合和微观咬合摩擦,运用不规则外形颗粒离散元建模方法,进行撞击模拟和自然安息角模拟,研究颗粒外形对微观咬合摩擦和宏观咬合作用的影响.数值计算结果表明,不规则外形颗粒集料摩擦因数近似为接触面摩擦因数的2倍,椭球体集料摩擦因数与接触面摩擦因数近似相等;颗粒外形不同使得颗粒运动状态呈现出滑动或滚动特征,并影响其宏观咬合特性及颗粒集料的摩擦性能.     

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。     

铁路道碴瞬态电磁散射特性分析

引用离散随机媒质结构来模拟铁路道碴的分布情况,采用在ＦＤＴＤ法的差分网格中进行随机填充来实现铁路道碴的计算模拟模型,并求解其瞬态电磁散射场。通过对该散射场的处理,提取出道碴的非相关散射场,然后再对该非相关场进行分析,得出了可描述道碴分布状况的电磁参量。数值分析结果显示,该参量与道碴空隙率之间在一定范围内具有指数关系。这表明,用电磁方法来探测铁路道碴的空隙率是可能的。     

深圳地铁道床动载荷分析

根据车辆轨道模型,从频域和时域两方面分析了深圳地铁道床动载荷,得出了道床动载荷传递函数,根据传递函数找出了量不利波长,并参照铁路对短波不平顺管理标准,得到了道床最大动载荷。     

基于瞬态边界元法的箱梁声辐射

为进一步开展桥梁结构噪声的研究,基于有限元-瞬态边界元法理论,对铁路32 m简支箱梁桥进行了时域振动响应及声辐射特性分析.首先,利用有限元软件ANSYS建立轨道-桥梁有限元模型;然后,运用车-线-桥仿真程序(TTBSIM),仿真计算得到轮轨相互作用力,并作为有限元模型的外部激励进行了列车动荷载作用下桥梁的时域振动响应分析;最后,以桥梁振动响应为边界条件,利用声学边界元软件Sysnoise研究分析了由列车动荷载引起的桥梁瞬态辐射噪声,并将测点声压计算值与实测值进行了对比验证.研究结果表明,200 km/h高速列车作用下桥面板振动级明显大于桥底板和桥梁腹板,桥梁主要噪声辐射部位为桥面板;桥梁结构噪声主要集中于低频段;随距离增加,噪声幅值逐渐减小,且高频噪声衰减速度明显快于低频噪声.