CN103488805A - 基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统及其动力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统及其动力分析方法。本发明首先利用ABAQUS软件完成无砟轨道和桥梁结构的建模;然后利用SIMPACK软件完成车辆和道岔的建模;最后在SIMPACK软件中建立刚柔耦合的轮轨接触关系,组成车辆-道岔-桥梁耦合系统模型,实现车辆模型、道岔模型、桥梁模型的连接和耦合求解。本发明充分考虑了道岔区复杂的轮轨接触关系,且尽量按实际状态完成对道岔和桥梁结构的建模,充分保证模型的细致、完整、准确。采用商业软件建模,方便生产设计应用,相对传统建模方法有明显的改进。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于联合仿真的车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无砟轨道无缝道岔结构体系的动力分析方法,属于铁道工程应用计算与设计技术领域。
背景技术
道岔是列车从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备,是铁路轨道结构的重要组成部分,高速道岔更是高速铁路中限制列车运行速度的重要因素,其结构与状态对列车运行的安全性、平稳性以及旅客的舒适度产生直接的影响。
高速铁路对线路平顺性有很高的要求,因而高速铁路建设有大量桥上线路。桥梁比例大,高架桥、长大桥较多成为我国高速铁路的主要特征,且已经出现高架车站以及车站咽喉区位于桥上,如郑西客运专线渭南北站,京沪高速铁路徐州东站等。高速道岔作为高速铁路的重大基础装备之一,列车高速通过时,除保证正常使用外还要求具有与区间线路相同的舒适性,且要满足桥梁结构受力合理等需要。高速铁路桥上道岔区由于桥梁、道岔、车辆相互作用形成车岔桥耦合相互作用系统,其受力状态非常复杂。
建立科学合理的桥上无缝道岔动力分析模型,对桥上无缝道岔系统进行动力分析,是高速铁路桥上无缝道岔理论研究中的重点和难点之一。由于道岔与桥梁的相互作用机理非常复杂,所以桥上无缝道岔技术综合了桥上无缝线路、无缝道岔以及铁路大跨度桥梁的技术特点和难点,是高速铁路建设中十分重要且亟待解决的关键技术问题之一。
目前国内外对桥上道岔动力学的研究多采用商业软件或自编程序进行仿真计算和模拟分析,取得了一定的进展,但尚没有成熟的结论,也较少桥上道岔的实际施工和运营经验。目前国内对车岔桥系统动力学的研究中,针对轨道和桥梁结构动力学的研究,多采用有限元方法,而针对车辆运营安全性、舒适性的研究,则较多采用多体动力学的方法。有限元方法能够建立较为精细的结构模型,然而不易建立轮轨接触关系模型,而多体动力学方法能够针对车辆系统和轮轨接触关系进行细致的建模,但不能精细的反映轨道和桥梁结构。在两种方法的商业软件应用基础上,建立能够将有限元结构模型和多体动力学车辆模型进行耦合的联合仿真方法,不仅操作简便,细致完备,而且能够准确反映桥上道岔空间动力学特性。
发明内容
为了克服桥上无缝道岔结构体系现有动力分析方法中存在的问题,本发明的目的在于,提供一种基于联合仿真的车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无缝道岔系统动力分析方法。本发明方法针对商业软件中多体动力学软件和有限元分析软件的特点,利用SIMPACK软件来完成车辆结构与变截面道岔的建模和车岔之间、轨道与桥梁之间的动力相互作用的模拟,利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模,再利用SIMPACK软件建立满足力平衡条件和变形协调条件的哑元实现车辆模型和道岔模型之间的刚柔耦合,并完成耦合求解。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统,其包括:车辆模型、道岔模型、轨道及桥梁子结构模型;以及车辆和道岔之间的轮轨耦合接触模型、道岔和桥梁之间的轨道支承模型;其中,所述道岔模型为无砟轨道道岔模型,所述轨道及桥梁子结构模型包括钢轨模型、轨道板模型、简支梁桥模型和连续梁桥模型;
所述车辆模型采用SIMPACK软件完成;所述道岔模型首先通过自编程序制作道岔截面离散数据文件,然后由SIMPACK软件轮轨模块还原成具有实际道岔截面特征的变截面道岔模型;所述轨道及桥梁子结构模型采用ABAQUS软件完成,然后通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件环境;在上述建模工作的基础上,所述轮轨耦合接触模型和轨道支承模型在SIMPACK软件中实现车辆、道岔、桥梁之间的相互连接和耦合求解。
一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统的动力分析方法,其包括:
车辆建模:利用SIMPACK软件来完成多刚体车辆结构的建模,求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标;
道岔建模:根据实际的道岔截面图纸,通过编程离散制作截面数据文件,利用SIMAPCK软件对截面沿轨道纵向进行插值计算,建立变截面道岔模型;ABAQUS软件建立钢轨、道岔板等实体结构模型,求解后得到道岔尖轨、心轨的开口量;
轨道及桥梁子结构建模:利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模并生成子结构模型,通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件,求解后得到钢轨、轨道板、桥梁结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标。
耦合求解:在上述建模工作的基础上,分析车岔之间的动力相互作用以及道岔与桥梁之间的动力相互作用,在SIMPACK软件中利用相应力元和移动标记建立轮轨耦合接触模型和轨道支承模型,实现车辆模型、道岔模型、桥梁模型的连接和耦合求解。所述车辆建模中,针对车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征,以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车结构的模拟。
所述车辆建模中,针对车体、前后转向架、以及每一轮对的空间自由度进行整车结构的模拟。
所述道岔建模中,根据道岔的实际轨头轮廓,通过编程离散成道岔轨头截面数据文件,根据截面数据文件,通过插值计算建立道岔结构模型。所述道岔轨头截面,包括道岔基本轨截面、尖轨截面、心轨截面、护轨截面。
所述轨道及桥梁子结构建模中,钢轨采用梁单元,轨道板采用空间实体单元,桥梁采用空间实体单元进行模拟。
在所述耦合求解中,所述轮轨耦合接触模型,对轨面和车轮踏面形状进行离散,由SIMPACK软件采用赫兹接触模型确定轮轨空间接触几何关系,通过在SIMPACK软件中建立哑元实现刚体车轮模型与柔性体钢轨模型的耦合接触,所述哑元为一质量和惯性趋近于零的虚拟物体,满足力平衡条件和变形协调条件,对系统动力学特性没有影响,仅起传递轮轨力的作用,从而满足岔区轮轨接触的复杂性要求并实现刚柔耦合接触;所述轨道支承模型是指,根据不同的连接型式确定相应的刚度和阻尼参数,通过弹簧-阻尼单元模拟道岔与桥梁之间的动力相互作用。
在所述耦合求解中,所述轮轨耦合接触模型和所述轨道支承模型完成车辆、道岔、桥梁模型的耦合,由SIMPACK软件的时域积分模块确定轮轨接触状态,计算轮轨相互作用力,并对所组成的车辆-道岔-桥梁空间耦合系统进行求解,从而得到系统各部分的动力响应。
所述道岔为无砟轨道道岔,所述桥梁包括简支梁桥和连续梁桥。
本发明的有益效果
该发明提供了一种准确有效的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其采用两种商业软件相结合的方法,充分考虑了道岔区复杂的轮轨接触关系,且尽量按实际状态完成对道岔和桥梁结构的建模,充分保证模型的细致、完整、准确。采用商业软件建模,方便生产设计应用,相对传统建模方法有明显的改进。根据本发明的建模方法将多体动力学软件、有限元软件两者建模手段巧妙结合,充分发挥了两者各自建模的特点和优势,且商业软件建模快捷方便,在实际生产设计和科研工作中应用广泛,十分便于桥上无缝道岔系统的建模分析,具有很高的理论价值和商业推广前景。
附图说明
图1为桥上无砟道岔结构系统建模过程示意图;
图2为车辆模型图示;
图3为桥上无砟道岔系统动力分析模型图示;
图4为轮轨垂向力图示;
图5为轮轨横向力图示;
图6为脱轨系数图示;
图7为轮重减载率图示;
图8为车体横向加速度图示;
图9为车体垂向加速度图示;
图10为钢轨垂向加速度图示;
图11为轨道板垂向加速度图示;
图12为钢轨垂向动位移图示;
图13为尖轨开口量图示;
图14为心轨开口量图示;
图15为桥梁垂向加速度图示;
图16为桥梁垂向位移图示。
具体实施方式图
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述:
实施例1:本发明实现一种桥上无砟道岔结构系统的动力分析方法。在本实施例中,基于空间耦合模型对桥上无缝道岔结构体系进行动力分析。桥上无砟道岔结构体系包括:车辆模型、道岔模型、轨道及桥梁子结构模型;以及车辆和道岔之间的轮轨耦合接触模型、道岔和桥梁之间的轨道支承模型。
所述车辆模型采用SIMPACK软件完成;所述道岔模型首先通过自编程序制作道岔截面离散数据文件,然后由SIMPACK软件轮轨模块还原成具有实际道岔截面特征的变截面道岔模型,所述轨道及桥梁子结构模型采用ABAQUS软件完成,然后通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件环境;在上述建模工作的基础上,所述轮轨耦合接触模型和轨道支承模型在SIMPACK软件中实现车辆、道岔、桥梁之间的相互连接和耦合求解。
本实施例实现的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法包括:
车辆建模:利用SIMPACK软件来完成多刚体车辆结构的建模,求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标;
道岔建模:根据道岔截面的CAD图,通过编程离散制作截面数据文件,利用SIMAPCK软件建立变截面道岔,ABAQUS软件建立钢轨、道岔板等实体结构模型,求解后得到道岔尖轨、心轨的开口量;
轨道及桥梁子结构建模:利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模并生成子结构,通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件,求解后得到钢轨、轨道板、桥梁结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标;以及,
耦合求解:在上述建模工作的基础上,分析车岔之间的动力相互作用以及道岔与桥梁之间的动力相互作用,在SIMPACK软件中利用相应力元和移动标记实现车辆模型、道岔模型、桥梁模型的连接和耦合求解。
本实施例以列车以250km/h速度直向通过客运专线桥上18号无砟轨道无缝道岔为例,对该方法进行介绍。车辆采用国产动车组CRH车辆参数,车辆全长26.3m,定距17.375m,轴距2.5m,车体质量59t,构架质量5.6t,轮对质量1.8t。道岔位于3跨32m简支梁上。钢轨采用60轨,轨道板采用CRTSII型单元板式无砟轨道,厚0.2m,板下支承刚度为1250MPa/m。桥梁为简支梁,梁体采用C40混凝土。根据本发明进行桥上无砟道岔结构系统建模,过程如图1所示,建立完成的车辆模型和桥上无砟道岔系统模型如图2、图3所示。
在车辆建模中,针对车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征,以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车结构的模拟。
在道岔建模中,根据道岔的实际轨头轮廓,通过编程离散成道岔轨头截面数据文件,根据截面数据文件,通过插值计算建立道岔结构模型。所述道岔轨头截面,包括道岔基本轨截面、尖轨截面、心轨截面、护轨截面。
在轨道及桥梁子结构建模中,钢轨采用梁单元,轨道板采用空间实体单元,桥梁采用空间实体单元进行模拟。
根据本实施例的方法可以得到车辆、道岔及桥梁各部分的振动加速度、动位移等动力响应;可以得到轮轨垂向作用力、轮轨横向作用力等动力响应;可以得到脱轨系数、减载率、车体加速度等行车安全、舒适性指标。主要计算结果如图4至图16所示。
在耦合求解中,对轨面和车轮踏面形状进行离散,由SIMPACK软件采用赫兹接触模型确定轮轨空间接触几何关系,通过在SIMPACK软件中建立哑元实现刚体车轮模型与柔性体钢轨模型的耦合接触,所述哑元为一质量和惯性趋近于零的虚拟物体,满足力平衡条件和变形协调条件,对系统动力学特性没有影响,仅起传递轮轨力的作用,从而满足岔区轮轨接触的复杂性要求并实现刚柔耦合接触;所述轨道支承模型是指,根据不同的连接型式确定相应的刚度和阻尼参数,通过弹簧-阻尼单元模拟道岔与桥梁之间的动力相互作用。
轮轨耦合接触模型和所述轨道支承模型完成车辆、道岔、桥梁模型的耦合,由SIMPACK软件的时域积分模块确定轮轨接触状态,计算轮轨相互作用力,并对所组成的车辆-道岔-桥梁空间耦合系统进行求解,从而得到系统各部分的动力响应。
轮轨垂向力、横向力如图4和图5所示,可以看出,列车通过辙叉区时比通过转辙区时轮轨力要大,这是由于心轨处存在着较大的结构不平顺造成的。
脱轨系数和轮重减载率最大为0.19、0.68,满足相关规范规定的脱轨系数小于0.80、动态轮重减载率小于0.80的要求。脱轨系数和轮重减载率如图6和图7所示。
列车直向过岔时车体的横向和垂向加速度分别为0.31m/s2、0.076m/s2,且通过尖轨比通过心轨时加速度要大。车体横向加速度满足小于0.10g的要求。车体的横向和垂向加速度如图8和图9所示。
钢轨加速度最大为1054.6m/s2,轨道板加速度最大为19.5m/s2,钢轨动位移最大为0.45mm。尖轨开口量0.94mm,心轨开口量0.10mm,均满足标准限值要求。钢轨、轨道板的动力响应如图10至图14所示。
桥梁垂向加速度最大为3.64m/s2,垂向位移最大为1.02mm,横向位移最大为0.22mm,如图15、图16所示。
综合上述动力响应的计算结果可知,钢轨的振动加速度最大,其后依次为轨道板、桥梁的振动加速度,振动自上到下依次衰减。从车体加速度、脱轨系数、轮重减载率等指标来看,在该实施例的计算条件下,列车直向通过桥上无砟道岔可以满足行车安全性、舒适性等各项指标的要求。
本实施例表明,该发明可用于桥上无砟道岔结构系统的动力特性分析和评估。
Claims (8)
1.一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统,其特征在于:该系统包括:车辆模型、道岔模型、轨道及桥梁子结构模型;以及车辆和道岔之间的轮轨耦合接触模型、道岔和桥梁之间的轨道支承模型;所述道岔模型为无砟轨道道岔模型,所述轨道及桥梁子结构模型包括钢轨模型、轨道板模型、简支梁桥模型和连续梁桥模型;
所述车辆模型采用SIMPACK软件完成;所述道岔模型首先制作道岔截面离散数据文件,然后由SIMPACK软件轮轨模块还原成具有实际道岔截面特征的变截面道岔模型;所述轨道及桥梁子结构模型采用ABAQUS软件完成,然后通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件环境;在上述建模工作的基础上,所述轮轨耦合接触模型和轨道支承模型在SIMPACK软件中实现车辆、道岔、桥梁之间的相互连接和耦合求解。
2.一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:该方法包括:
车辆建模:利用SIMPACK软件来完成多刚体车辆结构的建模,求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标;
道岔建模:根据实际的道岔截面图纸,制作截面数据文件,利用SIMAPCK软件对截面沿轨道纵向进行插值计算,建立变截面道岔模型;ABAQUS软件建立钢轨、道岔板等实体结构模型,求解后得到道岔尖轨、心轨的开口量;
轨道及桥梁子结构建模:利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模并生成子结构模型,通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件,求解后得到钢轨、轨道板、桥梁结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标;以及,
耦合求解:在上述建模工作的基础上,分析车岔之间的动力相互作用以及道岔与桥梁之间的动力相互作用,在SIMPACK软件中利用相应力元和移动标记建立轮轨耦合接触模型和轨道支承模型,实现车辆模型、道岔模型、桥梁模型的连接和耦合求解。
3.根据权利要求2所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:所述车辆建模中,针对车体、前后转向架、以及每一轮对的空间自由度进行整车结构的模拟。
4.根据权利要求2所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:所述道岔建模中,根据道岔的实际轨头轮廓,通过编程离散成道岔轨头截面数据文件,根据截面数据文件,通过插值计算建立道岔结构模型;所述道岔轨头截面,包括道岔基本轨截面、尖轨截面、心轨截面、护轨截面。
5.根据权利要求2所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:所述轨道及桥梁子结构建模中,钢轨采用梁单元,轨道板采用空间实体单元,桥梁采用空间实体单元进行模拟。
6.根据权利要求2所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:在所述耦合求解中,所述轮轨耦合接触模型,对轨面和车轮踏面形状进行离散,由SIMPACK软件采用赫兹接触模型确定轮轨空间接触几何关系,通过在SIMPACK软件中建立哑元实现刚体车轮模型与柔性体钢轨模型的耦合接触,所述哑元为一质量和惯性趋近于零的虚拟物体,满足力平衡条件和变形协调条件,对系统动力学特性没有影响,仅起传递轮轨力的作用,从而满足岔区轮轨接触的复杂性要求并实现刚柔耦合接触;所述轨道支承模型是指,根据不同的连接型式确定相应的刚度和阻尼参数,通过弹簧-阻尼单元模拟道岔与桥梁之间的动力相互作用。
7.根据权利要求2所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:在所述耦合求解中,所述轮轨耦合接触模型和所述轨道支承模型完成车辆、道岔、桥梁模型的耦合,由SIMPACK软件的时域积分模块确定轮轨接触状态,计算轮轨相互作用力,并对所组成的车辆-道岔-桥梁空间耦合系统进行求解,从而得到系统各部分的动力响应。
8.根据权利要求2至7中任意一项权利要求所述的桥上无砟道岔结构系统动力分析方法,其特征在于:所述道岔为无砟轨道道岔,所述桥梁包括简支梁桥和连续梁桥。
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