[发明专利]一种湿化有砟道床数值模拟方法

说明书

本申请公开了一种湿化有砟道床数值模拟方法，涉及轨道交通技术领域。方法具体步骤包括：利用离散单元法对有砟道床部件进行建模，有砟道床部件包括轨枕以及多个不同形状的道砟颗粒；利用室外参数标定试验以及基于JKR接触本构的参数标定仿真试验，对湿化状态下道砟颗粒的关键参数进行标定，关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能；基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构，构建湿化有砟道床模型，并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。本申请用于真实模拟湿化后道砟颗粒间的接触关系。

技术领域

本申请涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种湿化有砟道床数值模拟方法。

背景技术

有砟轨道是高速铁路的重要轨道结构型式之一，具有良好的排水性能，从而提高路基的承载能力并减少基床病害。但作为一种散粒体结构，道砟颗粒在高速列车循环荷载作用下会发生道砟破碎、粉化等劣化现象，从而引发道床脏污，致使道床排水受阻。在降雨天气作用下，脏污道床内部会逐渐形成积水，降低了道砟颗粒之间的摩阻力，减小了道床阻力，严重时会导致粉煤渣与积水形成浆液包裹道砟，形成道床板结，严重影响道床的服役性能。因此针对雨水条件下有砟轨道力学特性的研究，对维持有砟轨道在复杂气候条件下服役性能稳定有着重要意义。碎石道砟间的接触形式变化多样，道砟接触参数受材料、形状和级配等因素的影响表现出高度的离散性，当雨水浸入道床之后，会改变道砟颗粒之间原有的接触关系，同时和脏污颗粒之间相互作用，产生黏聚效应，道床内部力学机制极其复杂。

目前，国内外学者主要通过室内试验的方法研究湿化有砟道床的力学特性，但室内试验成本较高，初始变量难以把控，且难以反映湿化道床内部细观力学机制。崔旭浩采用离散元平行黏结接触本构模拟道砟与脏污颗粒在湿化状态下的接触关系，研究脏污道床在湿化后的板结机理，以及道床力学性能的变化规律，发现道床板结会显著加剧道砟颗粒在列车荷载作用下的动力响应，更容易引起道砟颗粒破碎粉化，影响有砟道床的服役性能。伍超利用颗粒黏结接触本构模拟脏污湿化道床的板结状态，通过黏结键的强度反映道床板结程度，进而研究捣固作业对不同板结程度道床的养护维修效果。

但是，既有方法通过在离散元中设置黏结键模拟道床湿化后颗粒间的黏聚效应，黏结力主要取决于颗粒间的接触关系。在外力作用下，道砟颗粒会发生剧烈的动力响应，当颗粒的位移达到一定程度时，黏结键瞬间发生断裂，颗粒间的黏结力消失。而对于真实湿化状态的有砟道床，道砟发生相对反向位移时，颗粒间的黏结力不断衰减，直至消失，与黏结键模拟的瞬变过程差异较大。

发明内容

本申请的提供一种湿化有砟道床数值模拟方法，通过基于JKR接触本构模拟湿化道砟颗粒间的接触关系，并通过响应面法对模型的关键参数进行标定；然后基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构，构建湿化有砟道床模型，避免了黏结键模拟的瞬变过程导致差异较大的弊端，实现了有砟道床湿化后道砟颗粒间的接触关系的准确模拟。

为达到上述目的，本申请的提供了一种湿化有砟道床数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：利用离散单元法对有砟道床部件进行建模，其中，所述有砟道床部件包括轨枕以及多个不同形状的道砟颗粒；

S2：利用室外参数标定试验以及基于JKR接触本构的参数标定仿真试验，对湿化状态下道砟颗粒的关键参数进行标定；其中，所述关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能；

S3：基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构，构建湿化有砟道床模型，并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。

进一步的是，步骤S1具体包括：

S101：分别获取多个不同形状的道砟颗粒的三维外形；其中，多个所述道砟颗粒的三维外形均是利用激光扫描道砟颗粒的各个面的外形特征并将其进行整合所得到的；

通过内部球体填充的方式分别对多个道砟颗粒的三维外形进行填充，得到多个不同形状的道砟颗粒离散元模型；