[发明专利]铁路运输用有砟轨道结构仿真方法

权利要求书

1.铁路运输用有砟轨道结构仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、选定待分析的有砟轨道模型所包含的分析参量，所述分析参量包括钢轨、轨枕和道床；

S2、对所选定的分析参量分别进行受力分析，即分别列出钢轨、轨枕和道床各自所对应的振动微分方程；

S3、设定每一分析参量所对应的分析参数值；

S4、基于ANSYS软件的前处理模块，创建有砟轨道的垂向动力模型并分析；即利用ANSYS软件的前处理模块建立了有砟轨道的垂向动力模型，其中钢轨采用Beam3梁单元进行离散，轨枕和道床采用Mass21质量单元来模拟，而钢轨和轨枕、轨枕和道床、道床和路基以及相邻道床块之间的连接均用Combin14线性弹簧-阻尼单元模拟；且所述Beam3梁单元为可承受轴向拉压和弯曲的二维弹性梁单元，每个节点有x、y方向的线位移和绕z轴的角位移共3个自由度；所述Mass21质量单元为有多至6个自由度的结构质量点单元；所述Combin14线性弹簧-阻尼单元为一维、二维或三维具有轴向拉压或扭转能力的弹簧-阻尼单元。

2.根据权利要求1所述的铁路运输用有砟轨道结构仿真方法，其特征在于：

步骤S1中的钢轨优选采用连续弹性离散点支承的Euler梁；轨枕和道床均只考虑垂向振动的质点，且钢轨和轨枕、轨枕和道床以及道床和路基之间均用线性弹簧-阻尼单元连接，并在相邻道床块之间引入了剪切弹簧-阻尼单元，以考虑各相邻道床块之间的剪切效应。

3.根据权利要求1所述的铁路运输用有砟轨道结构仿真方法，其特征在于：

步骤S2中的所述钢轨、轨枕和道床各自所对应的振动微分方程分别为：

所述钢轨的钢轨振型坐标的常微分方程组

所述轨枕的振动微分方程

所述道床的振动微分方程

同时将式(1.15)、(1.18)及(1.21)综合得到轨道结构的振动微分方程组，其阶数为M+2N。

4.根据权利要求3所述的铁路运输用有砟轨道结构仿真方法，其特征在于：

步骤S3中的部分参数可直接由经验数据获得，另一部分参数通过道床椎体受荷假设计算得到，其计算过程包括：

根据椎体重叠部分的计算高度h₀来判断相邻道床块是否出现干涉现象，并据此选择所要使用的计算公式，其中，h₀的具体形式如下

当h₀≤0时，相邻道床块之间无干涉现象，此时

K_f＝(l_e+2h_b tanα)(l_b+2h_b tanα)E_f (1.25)

当h₀>0时，相邻道床块之间存在干涉现象，此时

其中

而路基支承刚度

K_f＝l_s(l_e+2h_b tanα)E_f (1.30)。

5.根据权利要求1所述的铁路运输用有砟轨道结构仿真方法，其特征在于：

且所述Beam3梁单元为忽略剪切效应的Beam3梁单元，其节点位移向量、形函数以及单元刚度矩阵分别如式(1.31)、(1.32)、(1.33)所示；

δ^e＝[u_i,v_i,θ_zi,u_j,v_j,θ_zj]^T (1.31)

式中，为参数坐标；L为单元长度；A为截面面积；E为弹性模量；I为截面惯性矩；

所述Mass21质量单元为的节点位移向量和单元质量矩阵分别如式(1.34)、(1.35)所示；

δ^e＝[u,v,w,θ_x,θ_y,θ_z]^T (1.34)

式中，M_x、M_y、M_z分别为x、y、z方向的集中质量分量；I_xx、I_yy、I_zz分别为绕x、y、z方向的转动惯量；

所述Combin14线性弹簧-阻尼单元采用一维轴向拉压弹簧-阻尼器；则一维轴向拉压弹簧-阻尼器的单元刚度矩阵和阻尼矩阵分别如式(1.36)、(1.37)所示；

其中，

C_v＝C_v1+C_v2|v| (1.38)

式中，k为弹簧刚度；C_v1、C_v2分别为阻尼常数和线性阻尼常数；v为两节点的相对速度。