[发明专利]一种有砟轨道垂向动力结构仿真分析方法

说明书

本发明公开了一种有砟轨道垂向动力结构仿真分析方法，包括以下步骤：S1：采集有砟轨道的钢轨单位长度质量信息、抗弯刚度信息、轨枕和道床的参振质量信息、扣件、道床和路基的支承刚度信息、扣件、道床和路基的支承阻尼信息和道床的剪切刚度和剪切阻尼信息；S2：根据采集到的数据信息建立有砟轨道的结构模型，研究移动随机载荷作用下，扣件失效、轨枕吊空和路基不均匀沉降等缺陷对轨道结构动力特性的影响；S3：建立AR状态下的有砟轨道垂向动力结构模型，将该模型进行虚拟现实的实现。

技术领域

本发明涉及轨道安全分析控制领域，尤其涉及一种有砟轨道垂向动力结构仿真分析方法。

背景技术

随着计算机技术的不断发展和各种商业有限元软件的出现，有限元法得到了飞快发展，并被用于各种分析中，如热力学分析、流体力学分析、机械零件性能分析、结构静力和动力分析等等。在铁路轨道结构振动分析中，有限元法也逐渐被采用，在离散单元足够小的情况下大大提高了计算结果的精确性，并解决了许多之前难以解决的问题。

有砟轨道结构将会出现如下三种主要缺陷类型：1)由于橡胶垫板抗老化性和抗拉伸性的降低以及弹条的破损，所造成的扣件松脱或失效；2)由于道床板结、松散、不均匀沉降量的不断积累或暗坑的存在，所造成的轨枕部分悬空或完全吊空；3)由于线路纵向地基土性质和厚度的变化以及路基填料的不均匀和地下水的作用，所造成的路基不均匀沉降。

现有技术中很多论文或者专利中采用建立了高速铁路桩-板结构路基有限元模型，对列车动荷载作用下桩-板结构加固后路基的动力响应进行了分析，其中列车动荷载用包含静荷载和正弦函数叠加而成的激振函数来模拟。或者是根据铁路轨道结构的对称性，以轨道纵向中心线为界，建立了1/2轨道-路基的有限元离散模型，并利用此模型分析了列车速度对路基动应力以及车辆运行品质、动位移的影响。以上的方法大大推进了有砟轨道有限元模型的发展，但由于都采用全实体建模，故单元数目比较多，计算效率不能保证。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种有砟轨道垂向动力结构仿真分析方法：包括以下步骤：

S1：采集有砟轨道的钢轨单位长度质量信息、抗弯刚度信息、轨枕和道床的参振质量信息、扣件、道床和路基的支承刚度信息、扣件、道床和路基的支承阻尼信息和道床的剪切刚度和剪切阻尼信息；

S2：根据采集到的数据信息建立有砟轨道的结构模型，研究移动随机载荷作用下，扣件失效、轨枕吊空和路基不均匀沉降等缺陷对轨道结构动力特性的影响；

S3：建立AR状态下的有砟轨道垂向动力结构模型，将该模型进行虚拟现实的实现，其中利用ANSYS软件的前处理模块建立轨道结构的有限元模型，其中钢轨采用Beam3梁单元进行离散，钢轨单元长度取为一个轨枕间距长，轨枕和道床采用Mass21质量单元来模拟，各组件之间的连接均用Combin14线性弹簧-阻尼单元模拟，模型总长为102个轨枕间距。

所述建立砟轨道的结构模型时采用如下方式：

S1：对钢轨、轨枕和道床分别进行受力分析，建立钢轨的振动微分方程：

其中

式中，Z_r(x,t)为钢轨的振动位移，其中t为时间变量；

δ(x)为Dirac函数，其中当x＝0时，δ(x)＝1，当x≠0时，δ(x)＝0，Z_si(t)为轨枕的振动位移，l_s为轨枕间距。

S2：建立轨枕的振动微分方程：

其中：Z_bi(t)为道床的振动位移；

S3：建立道床的振动微分方程