基于DEM-FDM耦合的普通铁路碎石道床-土质基床界面接触应力分析

引入离散元法（DEM）-有限差分法（FDM）耦合算法对普通铁路碎石道床-土质基床的界面应力进行分析。首先,基于激光扫描以及室内三轴试验,实现碎石道砟颗粒二维精细化离散元建模,并通过设置界面单元进行道砟与土两类不同介质层间速度与力的相互传递,实现离散元法与有限差分法耦合,建立了轨枕-碎石道床-连续土体耦合模型,并通过现场实测结果验证模型的合理性。在此基础上,计算列车通过时耦合模型中基床动应力分布特征,讨论轨枕-道床接触状态对其影响,并将计算结果与轨枕-道床-基床的整体有限元模型的计算结果进行对比。结果表明,轨枕-道床未完全密贴接触状态下,道床中力链呈离散型传递,反之,道床中力链呈向下扩散发展;两种接触状态下,基床表面应力分布差别显著,但是应力峰值接近。耦合模型得到的基床表面应力峰值显著高于有限元模型的计算结果;耦合模型中因道砟散体特性引起的基床表面局部应力集中,在路基中的影响深度约为道砟最大粒径（63 mm）的8倍,即近似基床表层深度。     

基于激光扫描法的铁路道砟级配对道床动力特性影响的离散元研究

铁路碎石道床的道砟级配对道床的力学性能具有显著的影响,采用三维激光扫描技术对道砟颗粒的形状特征进行了获取及分析,并提出了基于道砟外形重建结果的离散元颗粒数值模型构造方法;在此基础上建立了循环荷载道砟箱数值模型。以此研究在高速及重载线路条件下,道砟级配对散体道床动力沉降特性的影响规律,并从细观角度分析了道床的沉降机理。研究结果表明:不同运营条件下铁路碎石道床的沉降机理有所不同。道砟颗粒间的相互错动是引发重载铁路道床沉降主要原因。而对于高速铁路,道床沉降还会受到高频荷载作用下颗粒自身转动的影响。因此,建议在规范中针对不同的线路条件提出不同的道砟级配曲线要求。     

轨枕空吊对有砟道床动力特性影响的离散元分析

为研究轨枕空吊对有砟道床动力特性的影响,建立有砟轨道的离散元分析模型。通过缩小与枕底相接触的道砟颗粒的粒径实现了轨枕空吊的模拟,研究了轨枕空吊状态下有砟道床的动力响应,分析了轨枕空吊形式和空吊数量对有砟道床动力响应的影响。结果表明:轨枕空吊会使得道床中道砟颗粒接触力发生重分布,空吊轨枕所在道砟箱中强力键的个数会减少,两侧相邻道砟箱中强力键的个数会增多,轨枕非完全空吊时在列车荷载作用下会对道床产生冲击作用而增大部分道砟颗粒受力;空吊轨枕会失去对其下方道砟颗粒的约束作用而导致道砟颗粒振动的离散性增加,同时会增大轨枕盒中道砟颗粒的振动并显著提高两侧相邻轨枕下方道砟颗粒的振动水平;轨枕空吊会增大轨枕侧面与道砟颗粒之间的摩擦耗能,引起道砟出现"泛白"现象,同时还会增大两侧相邻轨枕下方道砟颗粒之间的摩擦耗能;3根轨枕连续完全空吊对道床动力响应的影响大于1根轨枕完全空吊的影响。     

道砟垫有砟道床力学特性离散元分析

为分析铺设道砟垫对铁路有砟道床力学特性的影响,采用离散单元法和图像处理技术,构建道砟颗粒计算模型,采用"弹性杆"模拟道砟垫,建立高速铁路道砟垫有砟道床的离散元分析模型,依据现场测试结果验证了模型的正确性。对比分析了列车荷载作用下普通有砟道床和道砟垫有砟道床的动态响应。结果表明:铺设道砟垫可以从整体上降低有砟道床的振动水平,使道砟颗粒振动加速度的平均值降低9.40%;铺设道砟垫可以减少道床中强力键的个数,提高道床中较小接触力出现的概率,使道砟颗粒的平均法向接触力降低21.7%,平均切向力降低24.4%;道砟垫可以显著增加道砟颗粒与下部基础的接触点数,增大接触面积,减小接触力;道砟垫有助于降低道床刚度,增大有砟轨道弹性。     

环境敏感区桥上有砟轨道铺设道砟垫的减振效果

为了给环境敏感区桥梁地段有砟轨道的减振设计提供理论依据,采用有限元方法建立了车辆—有砟轨道—桥梁空间耦合动力学模型。基于所建立的动力学模型,计算分析了铺设道砟垫对轨道结构和桥梁动力响应时频特性的影响,并对道砟垫的合理刚度进行探讨。计算结果表明:桥上有砟轨道采用道砟垫的减振效果明显,桥梁结构的动力响应显著减小,其中桥墩振动减小3~9 d B;铺设道砟垫不会加剧轮轨动力作用和影响行车安全,而且还有利于降低轨道结构的振动,其中以道床的振动减小最为显著;从保证减振效果、控制道床加速度以及道砟垫压缩量等角度综合考虑,建议道砟垫的合理面刚度取值为100~150 MPa/m。     

基于颗粒真实几何形状的铁路道砟剪切过程三维离散元分析

铁路道床由尺寸和形状各异的道砟颗粒组成,道砟颗粒的形状对道床的强度、变形等力学特性具有显著影响,反映颗粒单一方向尺寸分布特征的级配曲线难以全面描述形状不规则的道砟颗粒的几何特征。该文利用计算机视觉成像技术获得道砟颗粒在三个相互垂直方向的投影图,提取投影图轮廓并计算其几何特征参数;基于颗粒三视图重建与真实道砟颗粒具备相同几何特征的三维模型,引入到自行开发的三维块体离散元数值模拟程序中,建立了真实道砟颗粒料的三维离散元分析模型。通过与多种竖向压力作用下的室内直剪试验结果进行对比,验证了该方法可靠性;并在此基础上对道砟颗粒料在直剪试验中的变形和细观力学特性进行了深入详细的分析。     

多围压下三轴压缩试验与不可破裂颗粒离散元法分析

采用大型三轴试验仪器对道砟散体材料进行试验,重点研究不同围压条件下三轴试验力学特性与影响规律。同时基于离散单元法(DEM),采用非破裂不规则颗粒簇,在伺服条件下建立道砟三轴试验散粒体模型,对道砟颗粒在不同围压下进行相关数值三轴模拟,探讨偏应力、体应变、围压、体积应变与轴应变之间的关系,反映道砟基本力学特性。研究结果表明:采用离散单元方法进行数值模拟与室内三轴试验得到的一系列应力-应变规律基本一致,验证了离散单元法在道砟研究中的可行性与可靠性。同时,围压对道砟散体变形、最大偏应力、偏应力比值具有影响,其中随着围压提高道砟变形降低,因此在有砟道床设计和养护维修中,增大道床围压可降低道床沉降与变形。     

车辆-轨道-路基系统垂向动力分析模型的试验验证

基于车辆-轨道耦合动力学理论,根据秦-沈客运专线车辆的结构形式、悬挂特性及轨道结构特点,建立了具有两系悬挂的(客车)车辆-(有碴)轨道-路基垂向统一模型.采用研制的动力分析计算程序,对轨道随机不平顺激励下车辆-轨道-路基的动态响应进行了数值计算,并将路基基床表层动态响应的数值模拟结果与现场试验工点实测数据进行了对比分析.结果表明,该模型能较真实地反映车辆、轨道和路基垂向相互作用的基本力学特征,所得计算结果与实测数据比较吻合.     

秦沈客运专线车路系统动力响应数值分析

结合秦沈客运专线基床路基实际状况，利用车路耦合动力分析模型，对高速列车荷载作用下车路系统动力响应进行仿真分析。计算列车速度为200km/h和300km/h时不同基床表层厚度下的车辆、轨道及基床路基主要动力性能指标，并与测试结果进行对比分析。测试结果验证了计算模型的可靠性。根据计算结果分析列车速度与基床表层厚度对车路系统动力响应的影响规律，对秦沈线基床表层设计提出建议。     

墩台沉降对桥上纵连板式无砟轨道线路动力影响

基于耦合动力学理论,考虑纵连板式无砟轨道-桥梁系统各部件间非线性接触,建立高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁三维非线性有限元耦合动力学模型。运用建立的模型,研究高速列车在桥上纵连板式无砟轨道线路墩台不均匀沉降区段行驶时,墩台沉降对高速列车-纵连板式无砟轨道-桥梁耦合系统动力特性的影响。研究结果如下:①墩台不均匀沉降对高速列车、纵连板式无砟轨道各部件振动特性有很大影响,但对桥梁振动影响相对较小;②墩台不均匀沉降对最大垂向轮轨力、扣件最大压力影响较小,而对钢轨最大正弯矩、扣件最大拉力、轨道板和底座板纵向最大拉应力、CA砂浆最大压应力影响较大;③墩台不均匀沉降对耦合系统振动特性及无砟轨道动应力特性的影响不是简单的单调线性增加,而与墩台不均匀沉降引起的无砟轨道各部件间、无砟轨道与桥梁间局部脱空有关。     

基于不同颗粒形态模拟方法的道砟三轴试样变形特性对比分析

道砟不规则形态是影响有砟道床变形特性的重要因素，对道砟形状及棱角分布等不同尺度形态特征的刻画与数值重构仍是道砟仿真研究的热点问题。该文采用形态重构方法，生成了符合真实道砟形态指标概率分布的多面体道砟试样，构建了不同围压下道砟三轴加载计算模型，并将该仿真结果与三维扫描生成、非统计随机生成的道砟试样的仿真结果及室内试验结果对比分析。结果表明：围压提高，颗粒形态对道砟力学响应的影响逐渐显著，该文方法重构数值试样的应力-应变结果与试验结果的符合度高于非统计随机生成试样；道砟试样横向变形与堆积结构调整有关，与三维扫描生成的道砟试样相比，非统计随机生成试样的颗粒调整程度与侧向鼓胀范围均偏大；形态统计特征对道砟接触力演化趋势影响不大，但是不同形态特征的道砟最大接触力水平差异近50%。     

流变力学理论在铁路轨道结构力学研究中的应用

本文主要针对轨排-道床结构中存在的流变力学现象,应用流变力学的基本理论与研究方法,探讨轨道结构的力学问题。通过实验研究和系统理论分析,揭示轨排-道床结构的弹性、塑性和粘性等流变力学特性,建立了轨排-道床结构本构关系模型。并与原苏联所建立的轨排-道床结构流变模型进行了对比,说明了所建模型的合理性、正确性。通过此项研究,为进一步探讨铁路轨道结构的力学问题、完善高速铁路轨道结构的设计及养护维修工作打下良好的基础。     

地铁车辆-轨道耦合振动响应分析及轨道结构参数优化

针对在建杭州地铁3号线下穿某文教区工程,根据车辆-轨道耦合动力学理论,分别建立车辆-普通整体道床轨道耦合动力学模型和车辆-钢弹簧浮置板轨道耦合动力学模型。基于赫兹非线性接触关系,实现轮轨间的力平衡和位移协调。利用有限元软件ABAQUS,对两种轨道结构模型的动力响应进行计算,研究轮轨耦合动力相互作用机理和轨道振动源强特性,分析浮置板长度、轨道不平顺、扣件刚度、钢弹簧刚度和行车速度对钢弹簧浮置板轨道动力特性的影响,并对轨道结构参数进行优化。研究成果可为该地铁轨道的减振设计提供科学依据。     

路基不均匀沉降对地铁A型车辆动力学特性影响研究

路基不均匀沉降会导致轨道变形,进而映射到钢轨造成轨面不平顺,对行车安全和运行平稳性带来影响。针对城市轨道交通整体道床典型轨道结构,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立考虑轨道自重荷载和轮轨接触关系的车辆-整体道床无砟轨道空间耦合动力学实体模型,分析了路基不均匀沉降条件下车辆行驶速度、路基不均匀沉降波长和幅值等参数对车辆动力学特性的影响。分析结果表明:随着车辆行驶速度和路基沉降幅值的增大,车辆系统动力学响应也响应增大,当速度超过85 km/h时对行车安全性和舒适性均造成不利影响,且路基不均匀沉降引起车辆动力学响应的敏感幅值为30 mm;路基沉降波长对车辆动力学特性的影响呈先增大后减小的变化规律,其中在波长为20～30 m时对车辆动力学特性影响最为显著。     

高速铁路板式无碴轨道CA砂浆在中国的专利申请现状

<正>一、引言无碴轨道是高速铁路高速化发展的必然要求,而板式无碴轨道则是无碴轨道的主要结构形式之一,其具有如下优点:1基于板式轨道的结构特点,其轨道稳定性、平顺性且由于不引入需要时常更换的道碴,其耐久性较好;2由于不使用道碴,道床整体整洁美观,不存在道碴飞溅和粉化问题,且结构高度低、自重轻;3为了保证轨道整体的强度和弹性,一般板式无碴轨道在混凝土基床与轨道板之间铺有一层约50mm厚的水泥沥青砂浆     

高速铁路桥上有砟-无砟轨道过渡段动力学研究

基于京沪高速铁路特大桥上的有砟轨道与CRTS II型板式无砟轨道之间的过渡段实例,建立了车辆-轨道耦合动力学有限元计算模型,通过不同结构处理措施对有砟-无砟轨道过渡段动力学特性的影响研究,研究表明：当有砟轨道轨下胶垫刚度为55～75MN/m,无砟轨道轨下胶垫刚度为20～30MN/m时,有砟轨道的整体刚度大于无砟轨道;当有砟轨道轨下胶垫刚度为55～75MN/m,无砟轨道轨下胶垫刚度为40～50MN/m时,无砟轨道整体刚度与有砟轨道大体相当;过渡段枕、宽枕等不宜在有砟轨道刚度大于无砟轨道时使用;采用道砟胶结后提高了道床的整体性及过渡段轨道结构的稳定性,但增加了轨道刚度,应同时降低轨下胶垫刚度,以减小轮轨力;辅助轨只是增加了轨道结构的稳定性,对轨道刚度影响较小。     

高速铁路基床底层泡沫轻质土填料试验研究

在松软土地基地区修建增建二线时,传统工法会对既有线造成较大干扰。为解决上述问题,引入一种新型路基填料泡沫轻质土。结合三轴试验结果,浇筑密度为600 kg/m~3的泡沫轻质土能满足高速铁路无砟轨道路基基床底层静动力条件要求,采用该材料取代常规基床底层填料,建立大比例室内模型试验。试验结果表明:采用泡沫轻质土材料填筑基床底层,路基结构可保证良好的动应力扩散效果,具有较大的刚度,保证较小的弹性变形(动位移),具有较小的塑性变形,保证较小的累积沉降值;该材料的综合作用能够保证轨道上部结构的平顺性,泡沫轻质土路基具有良好的动力特性和长期动力稳定性,能够满足高速铁路路基的长期服役要求。     

新型组合式道床系统低频振动控制研究

针对组合式道床系统道床板低频域振动增大的现象,基于被动式阻尼吸振原理设计道床板上阻尼减振器,根据车辆-轨道耦合动力学理论建立有限元模型,对比分析普通道床及安装阻尼减振器前后组合道床系统的振动特性,研究结果表明:由于普通道床轨道结构与地面基础刚性连接,普通道床道床板的振动加速度级要低于组合道床道床板的振动加速度级,但道床板与基础之间没有隔振措施,使得普通道床地基的振动水平明显高于组合道床地基的振动水平;在20 Hz~40 Hz,组合式道床系统安装道床板阻尼减振器可有效降低道床板的振动加速度级;且随着质量比增大,减振效果逐渐增强,当质量比为0.3时,最大插入损失可达15 d B。     

流变力学理论在铁路轨道结构力学研究的应用

本文主要针对轨排－道床结构中存在的流变力现象，应用流变力学的基本理论与研究方法，探讨轨道结构的力学问题。通过实验研究和系统理论分析，揭示轨排－道床结构的弹性、塑性和粘性等流变力学特性，建立了轨排－道床结构本构关系模型。并与原苏联所建立的轨排－道床结构流变模型进行了对比，说明了所建模型的合理性、正确性。通过此项研究，为进一步探讨铁路轨道结构的力学问题、完善高速铁路轨道结构的设计及养护维修工作打下了良好的基础。     

地面沉降对路基上双块式无砟轨道平顺性的影响

高速铁路无砟轨道对于基础沉降变形特别敏感,地面沉降会显著影响路基上无砟轨道的受力变形及使用寿命,影响高速列车安全平稳运行。该文针对路基上双块式无砟轨道,基于有限元方法建立了梁-板-实体空间耦合模型,对地面不均匀沉降的幅值、范围及型式与双块式无砟轨道系统平顺性的关系开展了研究。结果表明:无砟轨道及路基各层沉降量随着地面沉降量增加基本成线性增加,支承层和路基表层间沉降差较大易出现离缝问题;地面沉降量20mm、沉降范围小于15m时,路基及轨道结构离缝现象明显,沉降范围大于15m时结构变形趋于平缓、轨面曲率半径增大;地面错台和折角型不均匀沉降均易导致无砟轨道及路基在折角点出现沉降差、结构离缝甚至开裂,折角值大小直接影响轨面平顺性。