CN104361631A - 参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法 - Google Patents

Abstract

参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，涉及一种计算机参数化建模方法。解决了目前有限元建模主要通过人工GUI操作进行，效率低且不利于季节冻土区铁路路基在列车荷载下的振动响应特性研究与影响因素分析等问题。通过参数化建立包括轨枕－道床－路基－场地的铁路路基振动反应三维计算模型和考虑相变的铁路路基温度场三维计算模型(如图2所示)，将列车轨枕作用力时程作为荷载输入，引入温度场计算结果作为初始场变量，实现分析季节冻土区铁路路基在不同季节、不同列车荷载下路基振动反应。有利于进一步完善我国现行铁路规范对季节冻土区路基设计的若干技术细节、设计规范、施工规程、维护标准等。

Description

参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法

技术领域

本发明涉及一种列车行驶引起的季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型，涉及一种计算机参数化建模方法。

背景技术

作为世界第三冻土大国，中国季节冻土分布面积达514万平方公里，其中冻深超过1m且对工程有严重影响的高寒深季节冻土面积达367万平方公里，主要分布于东北、内蒙大部地区与新疆、青海、西藏部分地区。根据国家铁路发展中长期规划，我国各种干线铁路、支线铁路、地方铁路等主要建设于季节冻土区，极少数铁路干线位于多年冻土与季节冻土交汇区域。当今，货运重载化、客运高速化业已成为世界铁路大国轨道交通两大发展趋势，高速列车的时速已达到350公里、重载列车的载重已超过10000吨，未来几十年仍将突飞猛进地发展重载铁路、高速铁路、快速客运专线等。轨道交通速度的不断提高、载重的不断加大使得动力学与振动问题日益突出。

现有技术中，专利文献号为CN102385658A的发明申请，给出了一种虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法，根据设计图纸参数化建立桥梁的三维模型，并将其放置于真实地理环境中，实现预演工后效果功能，文献中模型考虑了地形走向给出桥梁的三维模型的效果图。文献中没有考虑温度场模型，无法分析季节冻土区铁路路基在不同季节、不同列车荷载下路基振动反应。

与非季节冻土地区不同，季节冻土区铁路路基经受随季节变化的周期性冻融循环作用，使路基土物理性质、水理性质和力学性能均发生改变，加之列车载荷长期反复振动双重作用，使得路基长期变形稳定性与强度稳定性大幅降低，路基的冻胀与融沉、翻浆病害日益突出，不仅给新路建设和旧路维护带来很大困难，而且也对线路正常运营与行车安全构成极大威胁，业已成为制约我国寒区轨道交通重载化与高速化战略实施的一个重要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于python注释器的参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，以解决目前有限元建模主要通过人工GUI操作进行，铁路路基无限元边界建模涉及到无限单元扫掠方向性，给人工建模带来巨大工作量，效率很低的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，所述方法用于构建铁路路基有限单元为规则六面体网格单元，且边界为无限单元的数值模型，所述方法的实现过程为：

步骤S1、确定需要分析的铁路路基的几何尺寸，进行参数化设定以确定铁路路基几何尺寸，建立包括轨枕、道床、路基、场地的铁路路基三维几何模型，并对铁路路基三维几何模型进行体的剖分以便于网格划分；

设置铁路路基几何尺寸参数包括：

道砟厚度

设置路堤高度：包括分别设置基床表层厚度、基床底层厚度和路基底层厚度

设置路基宽度，

设置路堤坡度：可分别设置两侧路堤坡度，

场地宽度，

场地深度，

场地长度，通过定义轨枕数量实现；

步骤S2、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料热参数与热边界条件，并进行网格划分生成铁路路基温度场数值模型；

步骤S3、由铁路路基温度场数值模型进行温度场计算，提取铁路路基温度场计算结果；通过提取某一时刻路基温度场作为铁路路基振动反应数值模型初始场变量，实现模拟季节冻土区铁路路基在春季、夏季、秋季和冬季列车行驶引起的振动响应；

步骤S4、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料力学参数与力学边界条件，并进行网格划分生成铁路路基振动反应数值模型，铁路路基温度场数值模型与铁路路基振动反应数值模型网格划分需完全相同；将步骤S3所输出某一时刻温度场作为初始场变量，施加列车行驶引起各轨枕力时程作为载荷输入，计算该时刻列车行驶引起铁路路基振动反应；

步骤S5、输出典型节点及单元的应力、应变、振动加速度、速度、位移；

步骤S6、根据步骤S5对季节冻土区铁路路基振动反应特性及影响因素进行分析。

本发明的有益效果是：

本发明方法的技术方案的实现，是全部以计算机程序流程为依据的。参数化建立季节冻土区铁路路基振动响应分析三维数值模型，用于分析季节冻土区路基振动响应特性，其有益技术效果体现在以下几个方面：①解决了场地时变系统处理困难的问题，②有利于进一步完善我国现行铁路规范对季节冻土区路基设计的若干技术细节，③有利于将来逐步建立适合于季节冻土区铁路路基的设计规范、施工规程、维护标准，④避免季节冻土区铁路路基冻害防治措施选择的盲目性，为季节冻土区铁路路基的设计及服役寿命预测提供了重要依据和参考，⑤填补了季节冻土区多场多因素耦合影响下列车行驶引起路基振动反应与动力学研究的国内外空白，进一步丰富了冻土动力学、冻土工程振动力学、寒区轨道交通动力学的研究内容。

本发明方法通过Python语言编写程序，基于ABAQUS有限元软件，实现参数化建立包括轨枕－道床－路基－场地的铁路路基振动分析三维计算模型和考虑相变的铁路路基温度场三维计算模型(如图2所示)。将列车轨枕作用力时程作为荷载输入，将温度场模型计算得到的稳态温度场结果作为初始场变量输入，分析季节冻土区铁路路基在不同季节、不同列车荷载下路基振动反应。有利于进一步完善我国现行铁路规范对季节冻土区路基设计的若干技术细节、设计规范、施工规程、维护标准等。

本发明方法提出了一种方便、实用、易用的基于有限元软件ABAQUS的参数化建模方法。本发明方法通过引入温度场作为初始场变量，实现温度场与应力场间接耦合，参数化建立考虑相变的季节冻土区铁路路基振动反应三维有限元计算模型。

本发明方法可通过设置不同材料层材料参数有针对性的分析不同路基填料下，季节冻土区列车行驶引起铁路路基振动反应特性。

本发明方法通过施加不同上部轨枕荷载可计算各种列车车型、行驶速度、载重等条件下的路基振动反应，并分析各影响因素对铁路路基振动反应的影响。计算模型建模参数输入窗口见图2。

本发明方法通过设置最小单元尺寸，可自动进行网格划分(网格粗细由加载中心至场地边缘自动过渡两次)，通过试算并比较不同有限元单元尺寸计算结果，为正确选取计算模型单元尺寸，进而获得准确计算结果并节省计算机时提供依据。

本发明通过参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型，实现分析季节冻土区列车行驶引起路基振动反应(包括：轨枕、道床、路基和场地的振动应力、振动应变、振动加速度、振动速度、振动位移等)功能，且通过引入温度场为初始场变量，实现分析不同季节列车行驶引起路基振动反应特性。

附图说明

图1为参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型流程图；图2是本发明方法通过Python语言编写程序实现的参数化建模输入参数窗口界面；图3为三维铁路路基体剖分方案；图4为三维铁路路基体剖分方案放大图；图5为铁路路基温度场三维计算模型网格剖分图；图6为铁路路基振动反应三维计算模型无限元边界网格剖分图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～6所示，本实施方式所述的一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型方法，用于构建铁路路基有限单元为规则六面体网格单元且边界为无限元的数值模型，所述方法的实现过程为：

步骤S1、确定需要分析的铁路路基的几何尺寸，进行参数化设定以确定铁路路基几何尺寸，建立包括轨枕、道床、路基、场地的铁路路基三维几何模型，并对铁路路基三维几何模型进行体的剖分以便于网格划分；

设置铁路路基几何尺寸参数包括：

设置路堤高度：包括分别设置基床表层厚度、基床底层厚度和路基底层厚度，

设置路基宽度，

设置路堤坡度：设置为非对称路堤，

场地宽度，

场地深度，

场地长度，通过定义轨枕数量实现；

步骤S2、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料热参数与热边界条件，并进行网格划分生成铁路路基温度场数值模型；

步骤S3、由铁路路基温度场数值模型进行温度场计算，提取铁路路基温度场计算结果；通过提取某一时刻(例：2014年03月15日)路基温度场作为铁路路基振动反应数值模型初始场变量，实现模拟季节冻土区铁路路基在春季(春融期)、夏季(非冻结期)、秋季(非冻结期)和冬季(冻结期)列车行驶引起的振动响应；

步骤S4、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料力学参数与力学边界条件，并进行网格划分生成铁路路基振动反应数值模型，铁路路基温度场数值模型与铁路路基振动反应数值模型网格划分需完全相同；将步骤S3所输出某一时刻温度场作为初始场变量，施加列车行驶引起各轨枕力时程作为载荷输入，计算该时刻列车行驶引起铁路路基振动反应；

步骤S5、输出典型节点及单元的应力、应变、振动加速度、速度、位移；

步骤S6、根据步骤S5对季节冻土区铁路路基振动反应特性进行分析。

在步骤S2中，对路堤部分进行分层划分的方式为：路堤部分可划分三层，以区别基床表层、基床底层和路基底层材料性质。

在步骤S3中，具体剖分方式为：

①将无限元与有限元切开；②平行于轨道走向在路基中心、上下行线路中心、路堤坡顶、路堤坡脚、两次过渡单元、水平方向在与无限元单元相邻的有限单元处竖向切开；③垂直于轨道走向在路基中心、与无限元单元相邻的有限单元处、2次水平过渡区竖向切开；④轨枕两侧位置沿轨道走向切割道砟表面；⑤在竖向过渡单元位置、路基底部与无限元单元相邻的有限单元位置水平切割路堤。

在步骤S4中，网格划分方法为：无限单元区域和过渡区域采用SWEEP网格划分，其它区域采用STRUCTURED划分；SWEEP方向需定义扫掠方向，过渡区方向为由近轨道中心处指向远离轨道中心处，无限单元方向为由内指向外边界。

在步骤S4中，施加列车行驶引起各轨枕力时程，利用ABAQUS有限元软件求解器完成。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，其特征在于：所述方法用于构建铁路路基有限单元为规则六面体网格单元，且边界为无限单元的数值模型，所述方法的实现过程为：

步骤S1、确定需要分析的铁路路基的几何尺寸，进行参数化设定以确定铁路路基几何尺寸，建立包括轨枕、道床、路基、场地的铁路路基三维几何模型，并对铁路路基三维几何模型进行体的剖分以便于网格划分；

设置铁路路基几何尺寸参数包括：

道砟厚度

设置路堤高度：包括分别设置基床表层厚度、基床底层厚度和路基底层厚度

设置路基宽度，

设置路堤坡度：可分别设置两侧路堤坡度，

场地宽度，

场地深度，

场地长度，通过定义轨枕数量实现；

步骤S2、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料热参数与热边界条件，并进行网格划分生成铁路路基温度场数值模型；

步骤S3、由铁路路基温度场数值模型进行温度场计算，提取铁路路基温度场计算结果；通过提取某一时刻路基温度场作为铁路路基振动反应数值模型初始场变量，实现模拟季节冻土区铁路路基在春季、夏季、秋季和冬季列车行驶引起的振动响应；

步骤S4、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料力学参数与力学边界条件，并进行网格划分生成铁路路基振动反应数值模型，铁路路基温度场数值模型与铁路路基振动反应数值模型网格划分需完全相同；将步骤S3所输出某一时刻温度场作为初始场变量，施加列车行驶引起各轨枕力时程作为载荷输入，计算该时刻列车行驶引起铁路路基振动反应；

步骤S5、输出典型节点及单元的应力、应变、振动加速度、速度、位移；

步骤S6、根据步骤S5对季节冻土区铁路路基振动反应特性及影响因素进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，其特征在于：在步骤S2中，对路堤部分进行分层划分的方式为：路堤部分可划分三层，以区别基床表层、基床底层和路基底层材料性质。

3.根据权利要求2所述的一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，其特征在于：在步骤S3中，具体剖分方式为：

①将无限元与有限元切开；②平行于轨道走向在路基中心、上下行线路中心、路堤坡顶、路堤坡脚、两次过渡单元、水平方向在与无限元单元相邻的有限单元处竖向切开；③垂直于轨道走向在路基中心、与无限元单元相邻的有限单元处、2次水平过渡区竖向切开；④轨枕两侧位置沿轨道走向切割道砟表面；⑤在竖向过渡单元位置、路基底部与无限元单元相邻的有限单元位置水平切割路堤。

4.根据权利要求3所述的一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，其特征在于：在步骤S4中，网格划分方法为：无限单元区域和过渡区域采用SWEEP网格划分，其它区域采用STRUCTURED划分；SWEEP方向需定义扫掠方向，过渡区方向为由近轨道中心处指向远离轨道中心处，无限单元方向为由内指向外边界。

5.根据权利要求4所述的一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，其特征在于：在步骤S4中，施加列车行驶引起各轨枕力时程，利用ABAQUS有限元软件求解器完成。