一種基于擴展有限元與疲勞分析聯合求解的無砟軌道病害分析方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種高速鐵路無巧軌道的病害分析方法。更具體地，設及一種基于擴 展有限元與疲勞分析聯合求解的無巧軌道病害分析方法。
【背景技術】
[0002] 從19世紀60年代開始，高速鐵路無巧軌道結構在德國、日本、英國、意大利等國家 得到發(fā)展并逐步廣泛應用，經過40多年的發(fā)展，無巧軌道經歷了數量上由少到多，技術上由 淺到深，品種上由單一到多種，鋪設范圍上由橋隧到±質路基鋪設的發(fā)展歷程。目前高速鐵 路比較發(fā)達的國家大都采用無巧軌道作為主要的軌道結構型式。
[0003] 隨著運營，無巧軌道的各種傷損病害不斷出現，病害的類型也呈多樣化發(fā)展。無巧 軌道的病害從其發(fā)展部位上來分主要有:無巧軌道鋼軌病害、扣件病害、混凝±軌道板病 害、CA砂漿病害、底座板病害、下部基礎及溫度變化導致的主體結構病害、附屬結構病害等 多種形式。其中，無巧軌道病害方面比較典型及常見的有軌道板開裂、層間離縫、軌道板上 拱、底座板與支承層開裂劣化、兩布一膜失效等。由此可見針對高速鐵路無巧軌道形成成套 的病害分析方法，進而指導后期的維護，不僅是迫切需求，而且有著巨大的應用空間。
[0004] 目前針對無巧軌道病害的分析方法主要是采用有限元方法進行受力分析，也出現 了采用疲勞分析軟件進行壽命預測，或者室內試驗，但運些分析方法都有明顯的局限性，如 有限元難W分析軌道板發(fā)生裂紋、離縫、上拱等不連續(xù)問題，疲勞分析難W結合力學分析結 果，而試驗研究需要大量經費支持。
[0005] 因此，需要提供一種新的無巧軌道病害分析方法。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于擴展有限元與疲勞分析聯合求解的無 巧軌道病害分析方法，該方法實現了從無巧軌道病害的發(fā)生預測到病害的演變規(guī)律研究， 再到對病害產生影響評價的成套理論分析技術。
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用下述技術方案：
[000引一種基于擴展有限元與疲勞分析聯合求解的無巧軌道病害分析方法，包括如下步 驟：
[0009] 根據高速鐵路無巧軌道的幾何尺寸和材料屬性，建立無巧軌道的有限元模型；
[0010] 對所述有限元模型施加所需載荷、邊界條件，創(chuàng)建所要分析對象的節(jié)點集合或單 元集合，對所述有限元模型進行受力分析；
[0011] 在疲勞分析軟件中導入受力分析結果，進行所述有限元模型的疲勞性能分析；
[0012] 基于擴展有限元方法在所述有限元模型中定義軌道結構材料的斷裂力學參數，選 擇所述疲勞性能分析中壽命臨界部位為破壞區(qū)域，計算病害的產生W及不斷發(fā)展演變規(guī) 律；
[0013] 在所述有限元模型上增加列車輪軌禪合模型，并將所述病害施加在軌道結構上， 計算出軌道結構發(fā)生病害后列車的橫向加速度、垂直加速度、脫軌系數和輪重減載率，分析 評價所述病害對列車運行的影響。
[0014] 優(yōu)選地，所述無巧軌道的有限元模型包括:鋼軌、扣件、無巧軌道板、砂漿層、支承 層和下部基礎，所述鋼軌采用60kg/m鋼軌實體模型，所述扣件采用彈黃，所述無巧軌道板和 支承層采用混凝±實體結構，所述砂漿層采用CA砂漿，所述下部基礎采用路基或橋梁。
[0015] 優(yōu)選地，所述無巧軌道的有限元模型的材料屬性包括:密度、彈性模量、泊松比、阻 尼、導熱系數和比熱容。
[0016] 優(yōu)選地，對所述有限元模型施加的載荷包括列車動載荷和/或溫度載荷。
[0017] 優(yōu)選地，采用基于應力的GOODMAN理論對有限元模型進行疲勞性能分析，得出分析 對象的疲勞壽命云圖W及疲勞壽命次數，W及在該荷載作用下軌道結構的壽命最低點和破 壞形式。
[0018] 優(yōu)選地，通過連續(xù)Ξ維視圖或視頻的方式反映所述病害的發(fā)展演變過程。
[0019] 優(yōu)選地，高速列車模型包括車體、轉向架、輪對、一系懸掛和二系懸掛，將高速列車 模型與所述無巧軌道的模型進行禪合。
[0020] 優(yōu)選地，所述高速列車列車模型與所述有限元模型的鋼軌之間采用赫茲接觸。
[0021] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0022] 本發(fā)明提供一種適用于無巧軌道離縫、開裂等病害的成套理論分析方法，該方法 能夠預測無巧軌道病害發(fā)生的時機，并對病害后續(xù)的發(fā)展演變規(guī)律進行分析，對病害的發(fā) 展過程能夠Ξ維可視化，同時基于輪軌禪合評價病害對行車的影響。該成套理論方法能夠 用W指導高速鐵路無巧軌道的養(yǎng)護維修方案制定。
[0023] 疲勞分析的案例雖然已經存在，使用該方法的研究人員僅將該方法用于普通結構 的壽命分析，存在較大的局限性;擴展有限元方法的研究人員僅將其用于不連續(xù)問題的求 解;二者互相分離。無巧軌道病害是一個長期列車動荷載和外部環(huán)境作用累計形成的，形成 后在荷載作用下還會不斷發(fā)展變化;研究無巧軌道病害時，既需要分析前期的形成過程，用 W預防病害;又需要掌握其后續(xù)發(fā)展規(guī)律用W指導養(yǎng)護維修，因此本發(fā)明打破傳統(tǒng)的單一 學科思想，采用多學科交叉互補的優(yōu)勢，發(fā)明人在研究中發(fā)現將疲勞分析方法和擴展有限 元方法結合起來，作為一種無巧軌道病害成套分析技術具有獨特的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0024] 下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0025] 圖1示出本發(fā)明的流程圖。
[00%]圖2示出本發(fā)明中有限元模型的結構示意圖。
[0027] 圖3示出本發(fā)明中有限元模型的橫截面結構示意圖。
[0028] 圖4示出本發(fā)明中有限元模型受力分析的邊界條件示意圖。
[0029] 圖5示出本發(fā)明中有限元模型中軌道結構施加溫度載荷示意圖。
[0030] 圖6示出本發(fā)明中升溫時無巧軌道應力云圖。
[0031] 圖7示出本發(fā)明中降溫時無巧軌道應力云圖。
[0032] 圖8示出本發(fā)明中應力應變結果文件導入疲勞分析軟件截圖。
[0033] 圖9示出本發(fā)明中砂漿層疲勞性能參數截圖。
[0034] 圖10示出本發(fā)明中試驗測得S-N曲線。
[0035] 圖11示出本發(fā)明中砂漿層疲勞分析結果。
[0036] 圖12示出本發(fā)明中初始離縫區(qū)示意圖。
[0037] 圖13示出本發(fā)明中離縫開始發(fā)展示意圖。
[0038] 圖14示出本發(fā)明中離縫發(fā)展過程示意圖。
[0039] 圖15示出本發(fā)明中離縫發(fā)展過程示意圖。
[0040] 圖16示出本發(fā)明中列車軌道結構禪合模型示意圖。
[0041] 圖17示出本發(fā)明中車體垂直加速度對比圖。
[0042] 圖18示出本發(fā)明中脫軌系數對比圖。
[0043] 圖19示出本發(fā)明中輪重減載率對比圖。
【具體實施方式】
[0044] 為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說 明。附圖中相似的部件W相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體 描述的內容是說明性的而非限制性的，不應W此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0045] 如圖1本方法流程圖所示，一種基于擴展有限元與疲勞