CN112668087B - 基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统，方法包括：根据有砟轨道的实际设计施工情况，将有砟轨道简化；获取各结构的真实几何参数建立有限元模型；根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；施加结构荷载；将模型数据输出为INP文件；将需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；生成颗粒数据并进行处理；在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

Description

基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统

技术领域

本发明属于铁路工程计算设计技术领域，具体涉及一种基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统。

背景技术

有砟轨道是指轨下基础为石质散粒道床的轨道，通常也称为碎石道床轨道，是轨道结构的主要形式之一。它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。但由于其为散体颗粒道床，在列车荷载作用下，颗粒间容易发生相对错动使道砟磨损发生劣化。因此，其存在线路平面几何形状不易保持，养护维修工作量大等缺点。其中轨枕与道床的相互作用机理是有砟轨道涉及的重要研究课题。为了研究轨枕与道床之间的作用机理及道床内的荷载传递方式，国内外学者开展了有砟轨道的广泛研究，包括室内外试验、理论分析研究和数值分析研究。

利用软件进行有砟轨道的分析研究，已经取得了很多的成果，但同时，也存在一些不足。当前的有砟轨道的有限元方法研究，要么仅将其考虑为由轨道、轨枕、基床和道床所组成的有限元单元体进行分析，要么仅对道床进行离散元分析，其余构件则作为刚体进行分析。前者考虑的结构单元忽略了有砟轨道作为散体颗粒体的力学特性，因而不能完全反映有砟轨道的实际受力变形特性。后者考虑仅考虑了道床颗粒的散体颗粒特性，忽略了其余构件的变形影响。同时也使得建模的过程比较复杂，增大了计算的难度，造成较大的时间成本。而且，较为复杂的模型也使得后处理各种分析结果比较复杂。因而在实际的工程设计中很少使用且较难推广。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统，能够准确表现有砟轨道各部分构件的相互作用，并真实的模拟有砟轨道的受力变形特性，而且建模过程简单，计算效率高，处理方便。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<方法>

本发明提供一种基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.根据有砟轨道的实际设计施工情况，将有砟轨道简化为由轨道、轨枕、路基和道床组成的简化结构，其中道床包括由道砟颗粒构成的道砟层；

步骤2.获取各结构的真实几何参数(厚度、宽度等)，并根据获取的几何参数通过有限元软件ABAQUS建立包含轨道、轨枕、路基和道床的有限元模型；

步骤3.根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

步骤4.根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；

步骤5.施加结构荷载

根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的轨道、轨枕、道床、路基和颗粒的自重荷载，以及施加在轨道上的列车荷载，自重荷载施加方式为gravity加载，列车荷载施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载；

步骤6.将步骤1至5所建立的模型数据输出为INP文件；

步骤7.将道床有限元模型中需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；

步骤8.颗粒数据的生成

根据被模拟的道砟层的实际颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配情况；然后，采用应用离散元软件生成纯球形道砟颗粒或不规则道砟颗粒对道砟层模型进行填充，填充完成后记录并导出所有颗粒的粒径和坐标，对于不规则道砟颗粒还应保持每个颗粒所属的颗粒簇；

步骤9.对颗粒数据进行处理，使其符合有限元软件ABAQUS的数据规则；

步骤10.在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

优选地，本发明提供的有砟轨道道床建模分析方法还可以包括：步骤11.采用有砟轨道模型进行计算模拟，得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

优选地，本发明提供的有砟轨道建模分析方法还可以具有以下特征：在步骤3中，路基和道床均采用摩尔-库伦屈服准则，在property模块中输入材料的密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力参数，并采用8节点实体单元或6节点实体单元网格划分；轨道和轨枕采用线弹性模拟，在property模块中输入材料的弹性模量和泊松比，采用8节点实体单元或6节点实体单元进行网格划分。

优选地，本发明提供的有砟轨道道床建模分析方法还可以具有以下特征：道床包括道砟层、肩砟和面砟层；在步骤4中，对轨道、轨枕、路基、肩砟和面砟层分别按各部件的实际的约束状态，施加对应方向上的位移约束，结构的上表面设为自由面。

优选地，本发明提供的有砟轨道建模分析方法还可以具有以下特征：在步骤5中，周期均布压力荷载为

式中q_min为轨枕自重；A为所施加荷载的幅值；ω为周期荷载的圆频率；t表示施加荷载后经过的时间；n表示各轨枕间的相位差。

优选地，本发明提供的有砟轨道建模分析方法还可以具有以下特征：在步骤8中生成了包含颗粒数据的CSV格式文件；在步骤9中，对于颗粒数据文件，按颗粒粒径进行分类，创建各粒径对应的多个CSV格式文件；第一个CSV格式文件为颗粒节点定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的节点数据，每一行的具体格式为：颗粒的ID、颗粒的X坐标、Y坐标、Z坐标；第二个CSV格式文件为颗粒单元定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的单元数据，每一行的具体格式为：颗粒单元的ID、颗粒节点的ID；对于由多个球体颗粒组成的非球体颗粒簇，还应按簇归类记录每个簇内的球体颗粒单元的ID，保存为第三个CSV格式文件。

优选地，本发明提供的有砟轨道建模分析方法还可以具有以下特征：在步骤10中，在INP文件中的Part块内，为颗粒创建一个空部件，在Instance块中添加该部件，并在instance块中的该部件定义行内添加命令行以完成颗粒的导入与定义，包括：利用*Node关键词根据粒径定义颗粒节点集，利用*Element关键词根据粒径定义颗粒单元集；颗粒节点与单元的定义数据通过用input关键词指定步骤9中得到的各粒径对应的各种CSV文件，或直接在数据定义行直接添加颗粒的节点定义数据，颗粒的单元定义数据来完成导入，其数据格式与步骤9中相同；根据各个单元集定义颗粒属性：颗粒密度、质量相关的阻尼系数、颗粒半径、颗粒的弹性模量，泊松比；再采用指定单元集的方式建立各个颗粒的面；对于非球不规则形状颗粒，还应添加MPC命令，利用刚性连接将簇内的多个PD3D单元，两两进行约束以构建颗粒簇；需要被约束的单元ID，由步骤9中按簇归类的颗粒单元颗粒数据确定；在Interaction Properties块中添加颗粒间的接触属性以及颗粒与道床、轨枕各有限单元间的接触属性。

<系统>

进一步，本发明还提供一种基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析系统，其特征在于，包括：

结构生成部，根据有砟轨道的实际设计施工情况，将有砟轨道简化为由轨道、轨枕、路基和道床组成的简化结构，其中道床包括由道砟颗粒构成的道砟层；

有限元建模部，获取各结构的真实几何参数，并根据获取的几何参数通过有限元软件ABAQUS建立包含轨道、轨枕、路基和道床的有限元模型；

网格划分部，根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

条件设置部，根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；

结构荷载施加部，根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的轨道、轨枕、道床、路基和颗粒的自重荷载，以及施加在轨道上的列车荷载，自重荷载施加方式为gravity加载，列车荷载施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载；

INP文件生成部，将结构生成部、有限元建模部、网格划分部、条件设置部、结构荷载施加部所建立的模型数据输出为INP文件；

提取导入部，将道床有限元模型中需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；

颗粒数据生成部，根据被模拟的道砟层的实际颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配情况；然后，采用应用离散元软件生成纯球形道砟颗粒或不规则道砟颗粒对道砟层模型进行填充，填充完成后记录并导出所有颗粒的粒径和坐标，对于不规则道砟颗粒还应保持每个颗粒所属的颗粒簇；

颗粒数据处理部，对颗粒数据进行处理，使其符合有限元软件ABAQUS的数据规则；以及

有砟轨道模型生成部，在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

优选地，本发明提供的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统还可以包括：计算部，采用有砟轨道模型进行计算模拟，得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

优选地，本发明提供的基于虚拟现实结合的筑坝颗粒材料力学试验系统还可以包括：输入显示部，与结构生成部、有限元建模部、网格划分部、条件设置部、结构荷载施加部、INP文件生成部、提取导入部、颗粒数据生成部、颗粒数据处理部、有砟轨道模型生成部、计算部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应数据显示。

发明的作用与效果

本发明提供的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统，通过将有砟轨道路基结构简化为由轨道、轨枕、基床和道床构成的简化结构，并提取其几何参数，建立ABAQUS有限元模型，在生成的前处理文件内加入离散元颗粒的数据行，利用离散元颗粒模型，进行离散元与有限元耦合计算。不仅能够正确表现有砟轨道各部分构件的相互作用，能够较为真实的模拟有砟轨道的受力变形特性，而且建模过程简单，计算所需时间少，对所需结果的后处理比较方便，较易在有砟轨道及其构件的设计和计算分析中推广使用。

附图说明

图1为本发明涉及的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法的流程图；

图2为本发明实施例中涉及的有砟轨道的简化结构示意图；

图3为本发明实施例中涉及的示例的两种道砟颗粒的结构示意图；

图4为本发明实施例中涉及的具体几何模型及网格划分图；

图5为本发明实施例中涉及的颗粒填充道砟层模型后的效果图；

图6为本发明实施例中涉及的有砟轨道模型的竖向应力云图。

图中，1为轨道；2为轨枕；3为肩砟；4为路基；5为面砟层；6级配道砟颗粒。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统的具体实施方案进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，包括如下步骤：

(1)将有砟轨道简化为如图2和3所示的由轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4、面砟层5和道砟层(级配道砟颗粒6构成)组成的简化结构。

根据有砟轨道设计施工的CAD图纸，把有砟轨道结构简化为由轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4和面砟层5构成的简化结构，并提取这些结构的坐标、长度、厚度、宽度等几何参数。

(2)提取结构的的几何参数，选取代表段，应用有限元软件ABAQUS建立轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4和面砟层5的有限元模型。并定义需要与离散颗粒发生接触的面。

根据所提取的几何参数，建立如图4所示的轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4和面砟层5的有限元模型。

(3)轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4和面砟层5赋予材料属性和单元属性，并划分网格；道床3和路基4采用摩尔-库伦屈服准则，在property模块中输入材料的密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力等参数，并采用8节点实体单元或6节点实体单元网格划分；轨道1、轨枕2用线弹性模拟，轨道1、轨枕2在property模块中输入材料的弹性模量和泊松比，采用8节点实体单元或6节点实体单元进行网格划分。网格划分前应以划分均匀合格的有限元网格为准则对几何模型进行整理，并进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计算精度和计算效率的最优网格划分方式，得到如图4所示的有限元网格。

(4)设置结构的边界条件

在ABAQUS的LOAD模块中，对轨道1、轨枕2、肩砟3、路基4和面砟层5分别按各部件的实际的约束状态，施加对应方向上的位移约束，结构的上表面为自由面。

(5)施加结构荷载

根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的主要荷载，忽略次要的，且计算复杂的荷载。本发明中的结构荷载包括轨道1、轨枕2、道床3、路基4和颗粒5的自重荷载，施加方式为gravity加载，以及施加在轨道1上的列车荷载，施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载。其周期函数为

式中p_sleepern为轨枕上施加的压力荷载；q_min为轨枕自重；A为所施加荷载的幅值；ω为周期荷载的圆频率；t表示施加荷载后经过的时间；n表示各轨枕间的相位差。

(6)输出INP文件

将步骤(1)至步骤(5)中所建立的模型输出为ABAQUS专用的前处理文件，即inp格式文件。

(7)在步骤(2)所建模型中，将需要替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中。

(8)颗粒数据的生成与导出

根据被模拟的道砟层的颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配曲线。对于纯球形颗粒，利用离散元软件EDEM对道砟层模型进行填充，记录并导出所有颗粒的粒径、坐标，保存为CSV格式文件。对于不规则颗粒，利用离散元软件PFC3D，对道砟层模型进行填充，记录并导出所有颗粒的粒径、坐标和每个颗粒所属于的颗粒簇，保存为CSV格式文件。

(9)对导出的颗粒数据进行整理，使其符合ABAQUS的数据规则：

对步骤(8)中导出的CSV格式的颗粒数据文件，按颗粒粒径进行分类，创建各粒径对应的两个CSV格式文件。第一个为颗粒节点定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的节点数据，每一行的具体格式为：颗粒的ID、颗粒的X坐标、Y坐标、Z坐标。第二个为颗粒单元定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的单元数据，每一行的具体格式为：颗粒单元的ID、颗粒节点的ID。对于由多个球体颗粒组成的非球体颗粒簇，还需要按簇归类记录每个簇内的球体颗粒单元的ID，保存为CSV格式文件。

(10)修改INP文件，添加离散元相关部分：

在先前生成的INP文件中的Part块内，为颗粒创建一个空部件，在Instance块中添加该部件，并在instance块中的该部件定义行内添加命令行以完成颗粒的导入与定义。其中包括：利用*Node关键词根据粒径定义颗粒节点集，利用*Element关键词根据粒径定义颗粒单元集。其颗粒节点与单元的定义数据可以通过用input关键词指定步骤(9)中得到的各粒径对应的各种CSV文件，或直接在数据定义行直接添加颗粒的节点定义数据，颗粒的单元定义数据来完成导入，其数据格式与步骤(9)中的相同。根据各个单元集来定义和赋值颗粒属性，如：颗粒密度、质量相关的阻尼系数、颗粒半径、颗粒的弹性模量，泊松比。完成后，再采用指定单元集的方式建立各个颗粒的面。对于非球不规则形状颗粒，还需要添加MPC命令，利用刚性连接将簇内的多个PD3D单元，两两进行约束以构建颗粒簇。需要被约束的单元ID，由步骤(9)中按簇归类的颗粒单元颗粒数据确定。在Interaction Properties块中添加颗粒间的接触属性以及颗粒与道床、轨枕等有限单元间的接触属性。颗粒间可以采用ABAQUS自带的Hertz纯弹性接触模型，颗粒与有限单元间可以采用无入侵的硬接触模型。对于Hertz接触模型，通过计算确定最大接触刚度，并在接触属性中添加定义赋值。在Interaction块中利用步骤(2)中定义的接触面与本步骤中定义的颗粒面，两两创建颗粒与颗粒间、颗粒与有限元单元间的接触对，并为每个接触对赋予对应的接触属性。颗粒替换后如图5所示。

在INTERACTION PROPERTIES块中添加颗粒间的接触属性以及颗粒与道床、轨枕等构件间的接触属性。此处采用Hertz纯弹性接触模型。对于道床颗粒，Hertz接触理论得出旋转体法向接触力关于重叠量(法向位移)的表达式：

式中，

E₁、ν₁、R₁和E₂、ν₂、R₂分别为两个颗粒弹性模量，泊松比和半径，根据上式确定颗粒接触刚度

的大小。

通过以上处理得到有砟轨道模型文件，然后采用该有砟轨道模型进行计算模拟，即可得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

进一步，本实施例还提供一种基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析系统，能够自动实现以上方法。具体地，有砟轨道建模分析系统包括：结构生成部、有限元建模部、网格划分部、条件设置部、结构荷载施加部、INP文件生成部、提取导入部、颗粒数据生成部、颗粒数据处理部、有砟轨道模型生成部、计算部、输入显示部以及控制部。

结构生成部根据有砟轨道的实际设计施工情况，将有砟轨道简化为由轨道、轨枕、路基和道床组成的简化结构，其中道床包括由道砟颗粒构成的道砟层。

有限元建模部获取各结构的真实几何参数，并根据获取的几何参数通过有限元软件ABAQUS建立包含轨道、轨枕、路基和道床的有限元模型。

网格划分部根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格。

条件设置部根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面。

结构荷载施加部根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的轨道、轨枕、道床、路基和颗粒的自重荷载，以及施加在轨道上的列车荷载，自重荷载施加方式为gravity加载，列车荷载施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载。

INP文件生成部将步骤(1)至(5)所建立的模型数据输出为INP文件。

提取导入部将道床有限元模型中需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中。

颗粒数据生成部根据被模拟的道砟层的实际颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配情况；然后，采用应用离散元软件生成纯球形道砟颗粒或不规则道砟颗粒对道砟层模型进行填充，填充完成后记录并导出所有颗粒的粒径和坐标，对于不规则道砟颗粒还应保持每个颗粒所属的颗粒簇。

颗粒数据处理部对颗粒数据进行处理，使其符合有限元软件ABAQUS的数据规则。

有砟轨道模型生成部在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

计算部采用有砟轨道模型进行计算模拟，得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

输入显示部与结构生成部、有限元建模部、网格划分部、条件设置部、结构荷载施加部、INP文件生成部、提取导入部、颗粒数据生成部、颗粒数据处理部、有砟轨道模型生成部、计算部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应数据显示。例如，对建立的有砟轨道模型进行显示，并显示计算模拟情况得到的反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据；进一步，还可以将计算模拟数据动态显示在砟轨道模型上，通过动态视频直观显示各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形过程。

控制部与结构生成部、有限元建模部、网格划分部、条件设置部、结构荷载施加部、INP文件生成部、提取导入部、颗粒数据生成部、颗粒数据处理部、有砟轨道模型生成部、计算部均通信相连、输入显示部均通信相连，控制它们的运行。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法及系统并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.根据有砟轨道的实际设计施工情况，将所述有砟轨道简化为由轨道、轨枕、路基和道床组成的简化结构，其中道床包括由道砟颗粒构成的道砟层；

步骤2.获取各结构的真实几何参数，并根据获取的几何参数通过有限元软件ABAQUS建立包含轨道、轨枕、路基和道床的有限元模型；

步骤3.根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

步骤4.根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；

步骤5.施加结构荷载

根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的轨道、轨枕、道床、路基和颗粒的自重荷载，以及施加在轨道上的列车荷载，自重荷载施加方式为gravity加载，列车荷载施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载；

步骤6.将步骤1至5所建立的模型数据输出为INP文件；

步骤7.将道床有限元模型中需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；

步骤8.颗粒数据的生成

根据被模拟的道砟层的实际颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配情况；然后，采用应用离散元软件生成纯球形道砟颗粒或不规则道砟颗粒对道砟层模型进行填充，填充完成后记录并导出所有颗粒的粒径和坐标，对于不规则道砟颗粒还应保持每个颗粒所属的颗粒簇；

步骤9.对颗粒数据进行处理，使其符合有限元软件ABAQUS的数据规则；

步骤10.在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

2.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于，还包括：

步骤11.采用有砟轨道模型进行计算模拟，得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

3.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于：

其中，在步骤3中，路基和道床均采用摩尔-库伦屈服准则，在property模块中输入材料的密度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力参数，并采用8节点实体单元或6节点实体单元网格划分；轨道和轨枕采用线弹性模拟，在property模块中输入材料的弹性模量和泊松比，采用8节点实体单元或6节点实体单元进行网格划分。

4.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于：

其中，道床包括道砟层、肩砟和面砟层；

在步骤4中，对轨道、轨枕、路基、肩砟和面砟层分别按各部件的实际的约束状态，施加对应方向上的位移约束，结构的上表面设为自由面。

5.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于：

其中，在步骤5中，周期均布压力荷载为

式中q_min为轨枕自重；A为所施加荷载的幅值；ω为周期荷载的圆频率；t表示施加荷载后经过的时间；n表示各轨枕间的相位差。

6.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于：

其中，在步骤8中生成了包含颗粒数据的CSV格式文件；

在步骤9中，对于颗粒数据文件，按颗粒粒径进行分类，创建各粒径对应的多个CSV格式文件；第一个CSV格式文件为颗粒节点定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的节点数据，每一行的具体格式为：颗粒的ID、颗粒的X坐标、Y坐标、Z坐标；第二个CSV格式文件为颗粒单元定义数据，其数据排列方式应符合ABAQUS的数据格式，每行定义一个颗粒的单元数据，每一行的具体格式为：颗粒单元的ID、颗粒节点的ID；对于由多个球体颗粒组成的非球体颗粒簇，还应按簇归类记录每个簇内的球体颗粒单元的ID，保存为第三个CSV格式文件。

7.根据权利要求1所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析方法，其特征在于：

其中，在步骤10中，在INP文件中的Part块内，为颗粒创建一个空部件，在Instance块中添加该部件，并在instance块中的该部件定义行内添加命令行以完成颗粒的导入与定义，包括：利用*Node关键词根据粒径定义颗粒节点集，利用*Element关键词根据粒径定义颗粒单元集；颗粒节点与单元的定义数据通过用input关键词指定步骤9中得到的各粒径对应的各种CSV文件，或直接在数据定义行直接添加颗粒的节点定义数据，颗粒的单元定义数据来完成导入，其数据格式与步骤9中相同；根据各个单元集定义颗粒属性：颗粒密度、质量相关的阻尼系数、颗粒半径、颗粒的弹性模量，泊松比；再采用指定单元集的方式建立各个颗粒的面；对于非球不规则形状颗粒，还应添加MPC命令，利用刚性连接将簇内的多个PD3D单元，两两进行约束以构建颗粒簇；需要被约束的单元ID，由步骤9中按簇归类的颗粒单元颗粒数据确定；在Interaction Properties块中添加颗粒间的接触属性以及颗粒与道床、轨枕各有限单元间的接触属性。

8.基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析系统，其特征在于，包括：

结构生成部，根据有砟轨道的实际设计施工情况，将所述有砟轨道简化为由轨道、轨枕、路基和道床组成的简化结构，其中道床包括由道砟颗粒构成的道砟层；

有限元建模部，获取各结构的真实几何参数，并根据获取的几何参数通过有限元软件ABAQUS建立包含轨道、轨枕、路基和道床的有限元模型；

网格划分部，根据各结构实际采用的材料和物理性能，对各有限元部件赋予材料属性和单元属性，并划分网格；

条件设置部，根据各部件的实际约束状态设置相应的边界条件和自由面；

结构荷载施加部，根据有砟轨道的实际受力状态，在保证结构受力状态基本不变的前提下，考虑引起结构受力状态变化的轨道、轨枕、道床、路基和颗粒的自重荷载，以及施加在轨道上的列车荷载，自重荷载施加方式为gravity加载，列车荷载施加方式为在各轨枕扣具正上方的轨道上施加周期均布压力荷载；

INP文件生成部，将所述结构生成部、所述有限元建模部、所述网格划分部、所述条件设置部、所述结构荷载施加部建立的模型数据输出为INP文件；

提取导入部，将道床有限元模型中需要被替换为离散颗粒道砟层的部分单独作为一个道砟层模型部件导出为stl格式的模型文件，并提取其几何参数，导入至离散元软件中；

颗粒数据生成部，根据被模拟的道砟层的实际颗粒组成情况确定是采用纯球形颗粒还是不规则颗粒填充，并根据实际情况确定两者的占比以及各种颗粒的级配情况；然后，采用应用离散元软件生成纯球形道砟颗粒或不规则道砟颗粒对道砟层模型进行填充，填充完成后记录并导出所有颗粒的粒径和坐标，对于不规则道砟颗粒还应保持每个颗粒所属的颗粒簇；

颗粒数据处理部，对颗粒数据进行处理，使其符合有限元软件ABAQUS的数据规则；以及

有砟轨道模型生成部，在INP文件中修改数据行，导入处理好的颗粒数据并创建节点集、单元集，定义颗粒属性，并创建接触属性与接触对，得到有砟轨道模型文件。

9.根据权利要求8所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析系统，其特征在于，还包括：

计算部，采用有砟轨道模型进行计算模拟，得到反映实际有砟轨道中各结构的相互作用情况和荷载传递方式以及受力变形特性的数据。

10.根据权利要求9所述的基于有限元与离散元耦合的有砟轨道建模分析系统，其特征在于，还包括：

输入显示部，与所述结构生成部、所述有限元建模部、所述网格划分部、所述条件设置部、所述结构荷载施加部、所述INP文件生成部、所述提取导入部、所述颗粒数据生成部、所述颗粒数据处理部、所述有砟轨道模型生成部、所述计算部均通信相连，用于让用户输入操作指令，并进行相应数据显示。

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