CN113128102A - 铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，在指定细颗粒、道砟子模型区域，建立细颗粒、道砟子模型，设置周期边界将细颗粒模型导入道砟子模型。利用颗粒删除法生成了近似全空隙填充的细颗粒‑道砟子模型。借助子模型组合法将细颗粒‑道砟子模型组装成道砟箱模型，利用颗粒等质量替换法进行沙粒粒径敏感性分析，确定合理的细颗粒粒径模拟尺寸。借助邻近网格填充法、子模型组合法生成了不同细颗粒含量的道床离散元模型。利用3个球体构建不同圆度的不规则细颗粒模板，利用中心坐标颗粒替换法，生成含有不规则细颗粒的道床模型。本发明通过自编fish语言函数实现了三维空间含细颗粒的铁路道床快速建模和道砟空隙的快速填充。

Description

铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法
技术领域
本发明涉及铁路颗粒流数值模拟技术领域，涉及一整套细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的离散元模型快速生成方法，特别是涉及一种细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的多尺度分析模型快速构建方法。
背景技术
沙漠铁路以及运煤专线等在实际运营过程中一直面临着细颗粒的危害。这是由于细颗粒(沙粒)不断侵入道床，填充道砟空隙，改变了原有的道床颗粒组分，从而引起了一系列工务病害，如造成道床失去弹性、轨枕伤损、轨道结构刚度增大、轮轨接触区动力响应变大、车轮磨耗加剧、道床养护维修困难等。这些病害轻则降低了轨道结构的使用性和耐久性，重则使轨道不平顺加剧，影响行车的平稳性和安全性。因此，为保障列车的正常运营，需深入研究细颗粒(沙粒)侵入对轨道结构宏细观力学特性的影响，这对风沙区铁路道床养护维修作业有着重大的意义。
目前针对细颗粒侵入道床的力学特性研究，仅仅停留在室内静力试验的宏观特征上，现场试验鲜有报道。许多学者利用有限元法来模拟含有细颗粒(沙粒)道床，存在明显不足，不能反映颗粒之间的细观接触特性；已有的含细颗粒(沙粒)的道床模型大多采用二维模型，不能反映复杂列车荷载作用下，道床的三维空间动态力学特性；虽有三维离散元含细颗粒(沙)道床模型，但都是基于道砟箱或桶状试验，与现场运营情况有较大差别，而且在模拟过程中将细颗粒(沙粒)粒径直接放大10倍，忽略了细颗粒(沙粒)尺寸对模型计算结果的影响。此外，含有细颗粒(沙粒)道床多尺度效应显著，细颗粒(沙粒)与道砟粒径相差悬殊，且颗粒数目成百上千万，建立三维离散元模型存在细颗粒(沙粒)悬浮和模型难以平衡的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，目的是提供了细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的多尺度分析模型快速构建方法，解决现有技术的中还没有完整的含有细颗粒的道床离散元模型构建方法的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，包括：
构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型；
建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型；
对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型；
建立道砟箱模型墙体边界，将沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型；
基于沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸；
基于道砟子模型，结合沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型；
基于初始含沙量的轨枕-道床离散元模型，通过邻近网格填充方法构建任意沙粒含量的子模型，对该任意沙粒含量的子模型进行组合修正操作，获得球形沙粒的轨枕-道床离散元模型；
利用中心坐标颗粒替换方法，将不同的初始含沙量子模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，通过子模型组合拼装、道床断面修整和模型平衡，构建不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型；
根据沙粒的颗粒类别，赋予轨枕-道床离散元模型相应的接触参数及颗粒属性，完成具有不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型的构建。
优选地，构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型包括：
通过domain extent命令设置第一模型区域，通过wall generate box命令在该第一模型区域内构建沙粒试样边界墙体；
对预制的沙漠沙粒进行筛分，获得实际沙粒粒径级配，放大该实际沙粒的粒径，结合ball generate命令获得仿真沙粒；
设置该仿真沙粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过balldelete命令删除z轴坐标大于第一模型区域宽度值的仿真沙粒，并删除沙粒试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得沙粒子模型。
优选地，接触参数包括接触刚度kn和切向接触刚度ks，通过计算公式
Figure BDA0002993046620000021
和ks＝kn/k*(16)的有效接触模量Ec、有效接触半径r及刚度比k*计算获得；ra和rb为两个相互接触的仿真沙粒半径。
优选地，建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型包括：
设置第二模型区域，通过wall generate box命令在第二模型区域内构建道砟试样边界墙体，获得道砟不规则外形，进一步获得不规则道砟文件颗粒模板；
基于该不规则道砟文件颗粒模板，并根据道砟级配，通过clump generate命令获得道砟颗粒；
设置该道砟颗粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过clumpdelete命令删除z轴坐标大于第二模型区域宽度值的道砟颗粒，并删除道砟试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得道砟子模型。
优选地，对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型包括：
通过brick import命令将沙粒子模型导入到道砟子模型中，缩小导入的沙粒子的半径，通过设置第一fish语言删除与道砟颗粒相重叠的沙粒，恢复其它缩小的沙粒子的半径；
通过设置第二fish语言将导入的沙粒子模型中的沙粒ball单元替换为沙粒clump单元，重置颗粒密度、接触参数、重力和平衡条件；
达到平衡后设置周期边界，设置第三fish语言，并通过该第三fish语言中的brickmake和brick export命令获得沙粒-道砟子模型。
优选地，建立道砟箱模型墙体边界，将沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型包括：
通过new domain extent命令设置第三模型区域，通过wall generate box命令构建道砟箱边界墙，获得道砟箱模型；
通过brick import命令导入沙粒-道砟子模型，通过brick assemble命令设置拼装起始点和所需的沙粒-道砟子模型的数量，删除预置轨枕位置的沙粒和道砟颗粒；
导入预制的轨枕的文件，通过clump replicate命令构建轨枕离散模型，根据轨枕位置，设置周期性边界条件，通过第三fish语言中的brick make和brick export命令获得轨枕子模型；
通过brick import和brick assemble命令，将轨枕子模型放置到道砟箱模型中，删除道砟箱边界墙外的颗粒，将沙粒clump单元恢复为沙粒ball单元，重置接触参数和颗粒属性，设置平衡条件，使道砟箱模型达到平衡；
设置重力，重置平衡条件，获得沙粒粒径敏感性分析模型。
优选地，基于沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸包括：
设进行放大处理的沙粒为原沙粒，粒径为d0，半径为r0，质量为m0，设缩小导入到道砟子模型中的沙粒的粒径为di，半径为ri，设置n为所需沙粒数目，ρs为沙粒密度，通过公式m0＝mi(1)、
Figure BDA0002993046620000031
和
Figure BDA0002993046620000032
建立缩小后的沙粒半径ri、所需沙粒数目n与原沙粒半径r0之间的联系；
使沙粒粒径逐渐接近1mm，并将沙粒模拟尺寸做离散化处理，设置多个n的取值；
通过设置第五fish语言获取原沙粒的位置坐标及半径r0，将该原沙粒的位置坐标作为沙粒粒径缩小的替换颗粒组的中心坐标，根据该替换颗粒组的沙粒的排列位置，获得该替换颗粒组每个沙粒的位置坐标，将n值带入公式(4)获得沙粒缩小后的半径，通过第五fish语言进行颗粒替换；
通过公式F(t)＝F0(1-cos2πft)(5)向沙粒敏感性分析模型中的轨枕施加余弦荷载；式中，F0为施加在轨枕上的荷载半峰值，f为荷载频率，t为加载时间；
提取道砟颗粒在峰值载荷作用时的指标，绘制该指标与沙粒模拟半径的关系曲线，并基于该关系曲线获得位于指标变化相对稳定点的沙粒半径ri，并结合计算效率，获得沙粒仿真粒径dz。
优选地，基于道砟子模型，结合沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型包括：
重置道砟子模型的建模区域和道砟试样边界墙体；
设置Ck为道床中的沙粒含量，表达式为
Figure BDA0002993046620000041
式中，
Figure BDA0002993046620000042
Figure BDA0002993046620000043
Vs为沙粒体积，Vo道床中道砟空隙体积，ms为沙粒总质量，ρs为沙粒密度，mb为道砟总质量，ρb为道砟密度，Vb为道砟体积，Vt为总体积，Nb为道砟颗粒数目，Ns为沙粒数目，Vis为第i个沙粒的体积，Vjb为第j个道砟的体积；
设置初始含沙量C0＝5％，道砟子模型总体积Vt＝0.027m3，通过Vb＝clump.vol(c)函数获得道砟颗粒体积Vb，根据公式Vs＝(Vt-Vb)×5％(11)和
Figure BDA0002993046620000044
获得所需沙粒数目N0，通过ball generate命令构建沙粒；
设置周期性边界，删除该道砟试样边界墙体，替换沙粒ball单元为沙粒clump单元，通过第三fish语言的brick make和brick export命令构建初始含沙量C0为5％的子模型；
导入预制的轨枕的文件，在轨枕几何外形内规则排列多个球体，获得轨枕clump模型，设置周期性边界，通过第三fish语言的brick make和brick export命令导出轨枕子模型；
新建模型项目文件，设置第四模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，设置第四fish语言，并通过该第四fish语言的brick import和brickassemble命令将初始含沙量C0为5％的子模型和轨枕子模型导入到第四模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用第二fish语言的ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成了初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型。
优选地，基于初始含沙量的轨枕-道床离散元模型，通过邻近网格填充方法构建任意沙粒含量的子模型，对该任意沙粒含量的子模型进行组合修正操作，获得球形沙粒的轨枕-道床离散元模型包括：
导入初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型，设置沙粒含量Ck，通过公式
Figure BDA0002993046620000051
计算出所需沙粒的倍数λ；式中，Ck为C0的整数倍，Ck的取值范围为(5％<Ck≤100％)，其中k为正整数，且Ck＝kC0+C0；
构建具有编号的虚拟网格，设置I表示虚拟网格列号，J表示虚拟网格行号，P表示虚拟网格层号；
通过第五fish语言将初始含沙量的每个沙粒的中心坐标置于该虚拟网格的中心区域，以该中心区域为圆心进行环绕填充；
设置接触参数及属性和平衡条件，达到平衡后删除墙体，设置周期性边界，获得含沙量为Ck的子模型，将沙粒ball单元替换为沙粒clump单元；
新建模型项目文件，设置第五模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到第五模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成初始含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
优选地，利用中心坐标颗粒替换方法，将不同的初始含沙量子模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，通过子模型组合拼装、道床断面修整和模型平衡，构建不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型包括：
通过公式
Figure BDA0002993046620000052
定义沙粒圆度SF，基于椭球体空间几何形状，通过3球重叠组合方式构建圆度为0.4、0.5、0.6、0.7的沙粒模板；式中，dmin(L2)为椭球最短轴长度；dmax(L1)椭球最长轴长度；
导入含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型，通过设置第六fish语言获得球形沙粒的位置坐标及半径信息，以球形沙粒的位置坐标为不规则沙粒clump单元的中心坐标，以球形沙粒的直径作为不规则沙粒的粒径，进行颗粒替换；
通过第六fish语言统计球形沙粒的ID号，基于球形沙粒的ID号对球形沙粒进行分组不规则沙粒替换操作，该不规则沙粒替换操作完成后删除球形沙粒；
通过Vb＝clump.vol(c)函数统计不规则沙粒所占的体积，调整不规则沙粒密度参数；
新建模型项目文件，设置第六模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到第六模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，构建含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提供的一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，采用等质量颗粒替换法、子模型组合拼装法、邻近网格填充法、颗粒中心坐标替换法等一系列方法，实现了细颗粒(沙粒)粒径敏感性分析模型、不同细颗粒含量(含沙量)轨枕-道床离散元模型(球形细颗粒(沙粒)及不规则细颗粒(沙粒))的快速建模，给出了细颗粒(沙粒)粒径合理模拟尺寸的确定方法，解决了粒径相差悬殊的多元混合颗粒模型难以平衡的问题，细致的再现了细颗粒(沙粒)与道砟的细观接触特性。此外，该套建模方法，简单易行、灵活高效，适应性强，不局限于单一细颗粒侵入道床的模拟，可以用于任何细小颗粒侵入道床的模拟。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中单枕含细颗粒(沙粒)道床离散元模型(不规则沙粒)示意图，其中(a)为离散元模型等轴侧图，(b)为离散元模型正视图；
图2为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中细颗粒(沙粒)子模型-S示意图；
图3为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中道砟子模型-B示意图；
图4为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中细颗粒(沙粒)-道砟子模型-BS示意图；
图5为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中轨枕子模型-SP示意图；
图6为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中细颗粒(沙粒)尺度敏感性分析模型示意图；
图7为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中等质量颗粒替换过程示意图，其中，(a)细颗粒(沙粒)粒径d＝8mm；(b)细颗粒(沙粒)粒径d≈6.35mm；(c)细颗粒(沙粒)粒径d≈5.04mm；(d)细颗粒(沙粒)粒径d≈4mm；(e)细颗粒(沙粒)粒径d≈3.05mm；(f)细颗粒(沙粒)粒径d≈2.67mm；(g)细颗粒(沙粒)粒径d≈2.42mm；(h)细颗粒(沙粒)粒径d≈2mm；(i)细颗粒(沙粒)粒径d≈1.86mm；注：拟定原细颗粒(沙粒)粒径为8mm；
图8为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中道砟空隙虚拟网格划分过程示意图，其中，(a)道砟空隙捕捉；(b)虚拟网格的建立及网格单元命名；(c)虚拟网格侧视图；
图9为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中全网格填充示意图，其中，(a)3×3×3虚拟网格(b)虚拟网格中填满细颗粒(沙粒)
图10为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中虚拟网格填充过程(以沙粒说明)示意图，其中，(a)含沙量为5％的网格填充；(b)含沙量为10％的网格填充；(c)含沙量为15％的网格填充；(d)含沙量为20％的网格填充；(e)含沙量为25％的网格填充；(f)含沙量为30％的网格填充；(g)含沙量为35％的网格填充；(h)含沙量为40％的网格填充；(i)含沙量为近似100％的网格填充；
图11为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中不规则细颗粒(沙粒)替换过程示意图，其中，(a)不规则细颗粒(沙粒)模板平面图；(b)球形细颗粒(沙粒)；(c)圆度为0.4的细颗粒(沙粒)模板；(d)圆度为0.5的细颗粒(沙粒)模板；(e)圆度为0.6的细颗粒(沙粒)模板；(f)圆度为0.7的细颗粒(沙粒)模板；
图12为本发明提供的铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法中的处理流程图。
图中，101-轨枕子模型(SP)，102-不规则细颗粒(沙粒)，103-道床，104-道砟，105-边界墙。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明提供一种细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的多尺度分析模型快速构建方法，包括细颗粒(沙粒)子模型生成、道砟子模型生成、细颗粒(沙粒)道砟子模型生成、细颗粒(沙粒)粒径敏感性分析模型、初始含细颗粒(含沙)量子模型、不同细颗粒含量(含沙量))轨枕-道床离散元模型(球形细颗粒(沙粒))、不同细颗粒含量(含沙量)轨枕-道床离散元模型(不规则细颗粒(沙粒))等，涵盖的方法有子模型叠加法、颗粒删除法、子模型组合拼装法、等质量替换法、颗粒中心坐标替换法等。为方便阐述实施方式，后文中以沙粒进行说明，其他细颗粒实施过程与沙粒类似。
参见图12，本发明提供一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，包括：
构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型；
建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型；
对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型；
建立道砟箱模型墙体边界，将所述沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型；
基于所述沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸；
基于道砟子模型，结合所述沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型；
利用中心坐标颗粒替换方法，将不同的初始含沙量子模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，通过子模型组合拼装、道床断面修整和模型平衡，构建轨枕-道床离散元模型；
根据沙粒的颗粒类别，赋予所述轨枕-道床离散元模型相应的接触参数及颗粒属性，完成具有不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型的构建。
完成的具有不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型可用于精确分析沙粒与道砟之间的细观接触特性，深入研究沙粒侵入对道床宏细观力学特性的影响。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，采用PFC平台(Particle Flow Code颗粒流程序)进行建模操作。上述第一个步骤具体包括：
通过domain extent命令设置第一模型区域，通过wall generate box命令在该第一模型区域内构建所述沙粒试样边界墙体；
对预制的沙漠沙粒进行筛分，获得实际沙粒粒径级配，放大该实际沙粒的粒径，结合ball generate命令获得仿真沙粒；
设置该仿真沙粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过balldelete命令删除z轴坐标大于所述第一模型区域宽度值的所述仿真沙粒，并删除所述沙粒试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得所述沙粒子模型。
更进一步的，接触参数包括接触刚度kn和切向接触刚度ks，通过计算公式
Figure BDA0002993046620000081
和ks＝kn/k*(16)的有效接触模量Ec、有效接触半径r及刚度比k*计算获得；，ra和rb为两个相互接触的仿真沙粒半径。还包括沙粒与道砟之间的接触参数，其可通过属性继承来获得。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第二个步骤具体包括：
在这个文件中另外设置一个模型区域，其被称为第二模型区域，通过PFC的wallgenerate box命令在该第二模型区域内构建所述道砟试样边界墙体，获得道砟不规则外形，进一步获得不规则道砟文件颗粒模板；
基于该不规则道砟文件颗粒模板，并根据道砟级配，通过clump generate命令获得道砟颗粒；
设置该道砟颗粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过clumpdelete命令删除z轴坐标大于该第二模型区域宽度值的所述道砟颗粒，并删除所述道砟试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得所述道砟子模型。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第三个步骤具体包括：
通过brick import命令将所述沙粒子模型导入到所述道砟子模型中，缩小导入的沙粒子的半径，通过设置第一fish语言删除与道砟颗粒相重叠的沙粒，恢复其它缩小的沙粒子的半径；
通过设置第二fish语言将导入的所述沙粒子模型中的沙粒ball单元替换为沙粒clump单元，重置颗粒密度、接触参数、重力和平衡条件；
达到平衡后设置周期边界，设置第三fish语言，并通过该第三fish语言的brickmake和brick export命令获得所述沙粒-道砟子模型。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第四个步骤具体包括：
通过new domain extent命令设置第三模型区域，通过wall generate box命令构建道砟箱边界墙，获得道砟箱模型；
通过brick import命令导入所述沙粒-道砟子模型，通过brick assemble命令设置拼装起始点和所需的所述沙粒-道砟子模型的数量，删除预置轨枕位置的沙粒和道砟颗粒；
导入预制的轨枕的文件，通过clump replicate命令构建轨枕离散模型，根据轨枕实际所占的位置，设置周期性边界条件，通过第三fish语言的brick make和brick export命令获得所述轨枕子模型；
通过brick import和brick assemble命令，将所述轨枕子模型放置到所述道砟箱模型中，删除所述道砟箱边界墙外的颗粒，将所述沙粒clump单元恢复为所述沙粒ball单元，重置接触参数和颗粒属性，设置平衡条件，使所述道砟箱模型达到平衡；
设置重力，重置平衡条件，获得所述沙粒粒径敏感性分析模型。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第五个步骤具体包括：
设所述的进行放大处理的沙粒为原沙粒，粒径为d0，半径为r0，质量为m0，设所述的缩小导入到所述道砟子模型中的沙粒的粒径为di，半径为ri，设置n为所需沙粒数目，ρs为沙粒密度，通过公式m0＝mi(1)、
Figure BDA0002993046620000091
和
Figure BDA0002993046620000092
建立缩小后的沙粒半径ri、所需沙粒数目n与原沙粒半径r0之间的联系；
使沙粒粒径逐渐接近1mm，并将沙粒模拟尺寸做离散化处理，设置多个n的取值；
通过设置第五fish语言获取所述原沙粒的位置坐标及半径r0，将该原沙粒的位置坐标作为沙粒粒径缩小的替换颗粒组的中心坐标，根据该替换颗粒组的沙粒的排列位置，获得该替换颗粒组每个沙粒的位置坐标，将将n值带入公式(4)获得沙粒缩小后的半径，通过该第五fish语言进行颗粒替换；
通过公式F(t)＝F0(1-cos2πft)(5)向所述沙粒敏感性分析模型中的轨枕施加余弦荷载；式中，F0为施加在轨枕上的荷载半峰值，f为荷载频率，t为加载时间；
提取道砟颗粒在峰值载荷作用时的指标，绘制该指标与沙粒模拟半径的关系曲线，并基于该关系曲线获得位于指标变化相对稳定点的沙粒半径ri，并结合计算效率，获得沙粒仿真粒径dz。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第六个步骤具体包括：
重置所述道砟子模型的建模区域和道砟试样边界墙体；
设置Ck为道床中的沙粒含量，表达式为
Figure BDA0002993046620000093
式中，
Figure BDA0002993046620000094
Figure BDA0002993046620000095
Vs为沙粒体积，Vo道床中道砟空隙体积，ms为沙粒总质量，ρs为沙粒密度，mb为道砟总质量，ρb为道砟密度，Vb为道砟体积，Vt为总体积，Nb为道砟颗粒数目，Ns为沙粒数目，Vis为第i个沙粒的体积，Vjb为第j个道砟的体积；
设置初始含沙量C0＝5％，道砟子模型总体积Vt＝0.027m3，通过Vb＝clump.vol(c)函数获得道砟颗粒体积Vb，根据公式Vs＝(Vt-Vb)×5％(11)和
Figure BDA0002993046620000101
获得所需沙粒数目N0，通过ball generate命令构建沙粒；
设置周期性边界，删除该道砟试样边界墙体，替换沙粒ball单元为沙粒clump单元，通过第三fish语言的brick make和brick export命令构建初始含沙量C0为5％的子模型；
导入预制的轨枕的文件，在轨枕几何外形内规则排列多个球体，获得轨枕clump模型，设置周期性边界，通过brick make和brick export命令导出所述轨枕子模型；
新建模型项目文件，设置第四模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，设置第四fish语言，并通过其brick import和brick assemble命令将初始含沙量C0为5％的子模型和轨枕子模型导入到该第四模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成了初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第七个步骤具体包括：
导入所述初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型，设置沙粒含量Ck，通过公式
Figure BDA0002993046620000102
计算出所需沙粒的倍数λ；式中，Ck为C0的整数倍，Ck的取值范围为(5％<Ck≤100％)，其中k为正整数，且Ck＝kC0+C0；
构建具有编号的虚拟网格，设置I表示虚拟网格列号，J表示虚拟网格行号，P表示虚拟网格层号；
通过设置第五fish语言将初始含沙量的每个沙粒的中心坐标置于该虚拟网格的中心区域，以该中心区域为圆心进行环绕填充；
设置接触参数及属性和平衡条件，达到平衡后删除墙体，设置周期性边界，获得含沙量为Ck的子模型，将沙粒ball单元替换为沙粒clump单元；
新建模型项目文件，设置第五模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到该第五模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成初始含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
进一步的，在本发明提供的优选实施例中，上述第八个步骤具体包括：
通过公式
Figure BDA0002993046620000111
定义沙粒圆度SF，基于椭球体空间几何形状，通过3球重叠组合方式构建圆度为0.4、0.5、0.6、0.7的沙粒模板；式中，dmin(L2)为椭球最短轴长度；dmax(L1)椭球最长轴长度；
导入含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型，通过设置第六fish语言获得球形沙粒的位置坐标及半径信息，以球形沙粒的位置坐标为不规则沙粒clump单元的中心坐标，以球形沙粒的直径作为不规则沙粒的粒径，进行颗粒替换；
通过设置第六fish语言统计球形沙粒的ID号，基于球形沙粒的ID号对球形沙粒进行分组不规则沙粒替换操作，该不规则沙粒替换操作完成后删除球形沙粒；
通过Vb＝clump.vol(c)函数统计不规则沙粒所占的体积，调整不规则沙粒密度参数；
新建模型项目文件，设置第六模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.3 0.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到该第六模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，构建含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
在本发明提供的优选实施例中，上述第九个步骤中，接触参数及属性主要是指墙体和颗粒接触参数及属性。其中，颗粒之间的接触参数与接触模型的选择密切相关，对于线性接触模型主要包括接触刚度、摩擦系数、接触阻尼比等，而颗粒属性主要包括最小粒径、最大粒径、颗粒密度、颗粒体积、颗粒密度及阻尼系数；墙体与颗粒之间的接触参数包括接触刚度、摩擦系数、接触阻尼比等。在模型平衡时，为使道床密实，可不设置摩擦系数进行平衡；在正式计算时，再赋予颗粒和墙体摩擦系数。
本发明提供的方法，适用除沙粒之外，还适用于其他任何细小颗粒侵入道床的模拟，如煤粉、黏土等。模型生成过程中所涉及的子模型在组合拼装过程中接触属性并没有发生改变。
本发明还提供一个实施例，用于显示本一个优选的执行过程。
S1、沙粒子模型的生成。在PFC中指定模型区域，建立沙粒试样边界墙体，根据实际沙粒粒径级配，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，并赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，导出沙粒子模型(S)。
S2、道砟子模型生成。在PFC中指定模型区域，建立道砟试样边界墙体，根据一级铁路道砟粒粒径级配，利用图像识别方法提取了道砟复杂的几何特征，并赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，导出道砟子模型(B)。
S3、将沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，并将沙粒粒径适当的缩小，删除与道砟颗粒重叠的沙粒。然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，导出沙粒-道砟子模型(BS)。
S4、在PFC中指定模型区域，建立道砟箱模型墙体边界，将沙粒-道砟子模型进行合理拼装组合，导入轨枕子模型(部分)，重新设定平衡条件，生成沙粒粒径敏感性分析模型。
S5、基于沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换法，在保证道砟空隙中沙粒质量不变的前提下，将沙粒粒径不断减小，寻找合理的沙粒模拟尺寸。
S6、在道砟子模型的基础上，采用合理的沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量C0，填充一定量的沙粒，设置平衡条件及周期性边界，导出了初始含沙量子模型。通过模型组合法进一步生成了初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型(SP)进行拼装及模型平衡，最终构建了初始含沙量的轨枕-道床离散元模型。
S7、基于初始含沙量的轨枕-道床离散元模型，利用邻近网格填充法生成了任意沙粒含量的模型，通过模型平衡得到不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型。
S8、借助中心坐标颗粒替换法，将不同含沙量的轨枕-道床离散元模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，生成了不同含沙量轨枕-道床离散元模型(不规则沙粒)。
S9、根据颗粒类别，赋予相应的接触参数及颗粒属性，完成不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型(不规则沙粒)。
S1中，沙粒子模型生成具体S如下：
S1.1在PFC中利用domain extent命令，指定了0.3×0.3×1m的模型区域，并在该区域内利用wall generate box命令生成0.3×0.3×1m的墙体边界。
S1.2对沙漠中的沙粒进行筛分试验，获得实际沙粒粒径级配；在保持缩放前后各粒径范围内沙粒的体积分数不变的条件下，将实际沙粒粒径放大10倍，并利用ballgenerate命令生成了一定量的仿真沙粒。
S1.3设置沙粒密度为2650kg/m3，赋予接触参数(接触刚度、阻尼比)，设置重力为set gravity 0 0-100，平衡条件为solve aratio 1e-4。充分平衡后，用ball delete命令删除z轴坐标大于0.3的沙粒，并删除墙体，给定模型区域为0.3×0.3×0.3m，设置周期性边界，利用brick make命令生成沙粒子模型(S)。最后利用brick export命令导出，并保存在模型文件夹下。
S2中，道砟子模型的具体生成S如下：
S2.1指定0.3×0.3×1m的模型区域，并在该区域内利用wall generate box命令生成0.3×0.3×1m的墙体边界。利用图像处理技术获取6枚道砟不规则外形，生成.stl文件颗粒模板。
S2.2导入不规则道砟.stl文件颗粒模板，根据一级道砟级配，利用clumpgenerate命令生成了一定量的道砟颗粒。
S2.3设置道砟颗粒密度为2600kg/m3，赋予接触参数(接触刚度、阻尼比)，设置重力为set gravity0 0-100，平衡条件为solve aratio 1e-5。充分平衡后，用clump delete命令删除z轴坐标大于0.3的道砟，并删除墙体，给定模型区域为0.3×0.3×0.3m，设置周期性边界，利用brick make命令生成道砟子模型(B)。最后利用brick export命令导出，并保存在模型文件夹下。
S3中，沙粒-道砟子模型(BS)的具体生成S如下：
S3.1将沙粒子模型(S)利用brick import导入道砟子模型(B)中，缩小沙粒半径(一般缩小0.3-0.4倍)，利用自编fish语言删除与道砟颗粒重叠的沙粒。然后恢复沙粒半径。
S3.2利用自编fish语言将沙粒ball单元替换为clump单元，重新给定颗粒密度及接触参数，设置重力为set gravity 0 0 -100，平衡条件为solve aratio 1e-5。
S3.3删除平衡后的沙粒-道砟子模型(BS)的墙体，给定模型区域为0.3×0.3×0.3m，设置周期性边界，利用brick make和brick export命令生成和导出子模型，并保存在模型文件夹下。
S4中，沙粒粒径敏感性分析模型的具体生成S如下：
S4.1在PFC中，利用new、domain extent命令生成0.9×0.6×1m的区域，采用wallgenerate box命令生成0.7×0.6×1m的道砟箱边界墙。
S4.2采用brick import命令导入沙粒-道砟子模型(BS)，利用brick assemble命令指定拼装起始点(origin 0 -0.3 0)及所需沙粒-道砟子模型(BS)的份数(size 3 2 2)。并利用颗粒删除命令删除放置轨枕位置的沙粒及道砟颗粒。
S4.3将新II型混凝土枕的.stl文件导入，利用clump replicate命令生成了轨枕离散模型(实际轨枕长度的7/25)，根据轨枕的实际所占区域，给定了模型区域，设置了周期性边界条件，采用brick make和brick export生成和导出了轨枕子模型。
S4.4利用brick import和brick assemble命令，将新生成的轨枕子模型放置到拼装后的道砟箱模型中，删除边界外的颗粒；利用fish语言将沙粒clump单元还原为ball单元，重新设置接触参数及颗粒属性，设定模型平衡条件为1e-4。
S4.5设置重力为set gravity 0 0-9.81，平衡条件为solve aratio 1e-3，生成近似全空隙填充的沙粒粒径敏感性分析模型。
S5中，利用等质量颗粒替换法，来确定合理的沙粒模拟尺寸，具体S如下：
S5.1仿真沙粒尺寸关系。将粒径放大10倍后的沙粒记为原沙粒，设定其粒径为d0，半径为r0，质量为m0；缩小后的沙粒粒径为di，半径为ri，n为所需沙粒数目，ρs为沙粒密度。利用公式(1)～(4)建立起缩小后的沙粒半径ri、所需沙粒数目n与原沙粒半径r0之间的联系。
m0＝mi (1)
Figure BDA0002993046620000131
Figure BDA0002993046620000132
Figure BDA0002993046620000133
S5.2确定沙粒粒径模拟区间。实际沙粒粒径均小于1mm，因此在模拟过程中需将沙粒粒径逐渐逼近1mm，并将沙粒模拟尺寸离散化，取n值分别为1、2、4、8、18、27、36、64和80。
S5.3利用自编fish语言获取原沙粒的位置坐标(x0,y0,z0)及颗粒半径r0，并将其作为沙粒粒径缩小的替换颗粒组的中心坐标。然后根据替换颗粒组沙粒的排列位置，推算出每个沙粒的位置坐标，并将n值带入公式(4)计算沙粒缩小后的半径。最后，利用fish函数进行颗粒替换。
S5.4给9组沙粒敏感性分析模型中的轨枕施加余弦荷载，荷载公式如下：
F(t)＝F0(1-cos2πft) (5)
式中，F0为施加在轨枕上的荷载半峰值，f为荷载频率，t为加载时间。
S5.5在峰值荷载作用时，提取道砟颗粒的平均接触力、轨枕动位移值、道砟颗粒配位数等指标，并绘制其与沙粒模拟半径的关系曲线，寻找各指标变化相对稳定点的沙粒半径ri，综合考虑模型计算效率，确定合理的沙粒仿真粒径di，记为dz。
作为优选：S6中，初始含沙量的轨枕-道床离散元模型生成的具体S如下：
S6.1将道砟子模型导入PFC中，重新给定建模区域和边界墙体。
S6.2定义沙粒含量。引入Ck来表征道床中的沙粒含量。当k＝0时，可记为初始含沙量。沙粒含量的定义式如下：
Figure BDA0002993046620000141
Figure BDA0002993046620000142
Figure BDA0002993046620000143
Figure BDA0002993046620000144
Figure BDA0002993046620000145
式中，Vs为沙粒体积；Vo道床中道砟空隙体积；ms为沙粒总质量；ρs为沙粒密度；mb为道砟总质量；ρb为道砟密度；Vb为道砟体积；Vt为总体积；Nb为道砟颗粒数目；Ns为沙粒数目；Vis为第i个沙粒的体积；Vjb为第j个道砟的体积。
S6.3设定初始含沙量C0，并计算粒径为dz的沙粒数目。取初始含沙量C0＝5％，道砟子模型总体积Vt＝0.027m3，利用Vb＝clump.vol(c)函数可统计道砟颗粒体积Vb。然后根据公式(11)～(12)可计算出所需沙粒数目N0。最后用ball generate命令生成沙粒。
Vs＝(Vt-Vb)×5％ (11)
Figure BDA0002993046620000146
S6.4设置接触参数及颗粒属性，平衡模型；指定周期性边界，删除墙体，替换沙粒ball单元为clump单元，利用brick make和brick export命令生成和导出初始含沙量C0为5％的子模型。
S6.5导入轨枕.stl文件，在轨枕几何外形内规则排列若干小球，生成轨枕clump模型，并给定周期性边界，利用brick make和brick export命令导出轨枕子模型(SP)。
S6.6在PFC中新建模型项目文件，给定建模区域，设置墙体边界wall generatebox-2.7 2.7 -0.3 0.3 0 1；利用brick import和brick assemble命令将初始含沙量C0为5％的子模型(72个)和轨枕子模型(SP)(1个)导入新建区域，替换沙粒clump单元为ball单元，设置接触参数及属性，设定重力为set gravity 0 0 -100，平衡条件为solve aratio1e-4，进行模型平衡。
S6.7重新设定重力为set gravity 0 0-9.81，平衡条件为solve aratio 1e-3，进行模型平衡。
S6.8利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成了含沙量C0为5％的轨枕-道砟离散元模型。
作为优选，S7中，不同含沙量Ck的轨枕-道床离散元模型生成的具体S如下：
S7.1导入初始含沙量C0为5％的子模型，设定沙粒含量Ck，利用公式(13)计算出所需沙粒的倍数λ。
Figure BDA0002993046620000151
式中，Ck为C0的整数倍，因此Ck的取值范围为(5％<Ck≤100％)，其中k为正整数。且Ck＝kC0+C0。
S7.2根据沙粒倍数λ可确定一个沙粒需要复制的个数。建立3×3×3的虚拟网格，并对网格进行编号。用I表示虚拟网格列号；J表示虚拟网格行号；P表示虚拟网格层号。如虚拟网格编号为123，表示第1列，第2行，第3层的网格单元。
S7.3利用自编fish语言将初始含沙量的每个沙粒的中心坐标置于3×3×3的虚拟网格中心位置，即编号为222的虚拟网格单元中，其他沙粒可围绕初始沙粒进行邻近填充。最大占用虚拟网格数目为20。
S7.4赋予接触参数及属性，给定平衡条件，待平衡后删除墙体、设置周期性边界，得到含沙量为Ck的子模型(球形沙粒)，并将沙粒ball单元替换为clump单元。
S7.5在PFC中新建模型项目文件，给定建模区域，设置墙体边界wall generatebox-2.7 2.7 -0.3 0.3 0 1；利用brick import和brick assemble命令将含沙量为Ck的子模型(72个)和轨枕子模型(SP)(1个)导入新建区域，替换沙粒clump单元为ball单元，设置接触参数及属性，设定重力为set gravity 0 0 -100，平衡条件为solve aratio 1e-4，进行模型平衡。
S7.6重新设定重力为set gravity 0 0 -9.81，平衡条件为solve aratio 1e-3，进行模型平衡。
S7.7利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成了含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
作为优选，S8中，不同含沙量轨枕-道床离散元模型(不规则沙粒)生成的具体S如下：
S8.1定义沙粒圆度SF，如公式(14)所示。其中dmin(L2)为椭球最短轴长度；dmax(L1)椭球最长轴长度。基于椭球体空间几何形状，根据沙漠地区沙粒的圆度特征，利用3球重叠组合方式构建了圆度为0.4、0.5、0.6、0.7的沙粒模板。
Figure BDA0002993046620000152
S8.2颗粒中心坐标替换法。导入含沙量为Ck的子模型，利用自编fish语言获得球形沙粒的位置坐标及半径信息。然后以球形沙粒的位置坐标为不规则沙粒clump单元的中心坐标，以球形沙粒的直径作为不规则沙粒的粒径，进行颗粒替换。
S8.3利用自编fish语言统计球形沙粒ID号，并将其等分为4组，分别编号为S1、S2、S3、S4。其中组号为S1的球形沙粒用圆度为0.4的不规则沙粒替换；组号为S2球形沙粒用圆度为0.5的不规则沙粒替换；组号为S3球形沙粒用圆度为0.6的不规则沙粒替换；组号为S4球形沙粒用圆度为0.7的不规则沙粒替换。
S8.4颗粒替换完成后，删除球形沙粒，保存模型。
S8.5为保证替换前后，颗粒体系质量守恒，可利用Vb＝clump.vol(c)函数来统计不规则沙粒所占的体积，然后可以适当调整不规则沙粒密度参数。
S8.6赋予接触参数和颗粒属性，设置平衡条件，待平衡后删除墙体、设置周期性边界，得到含沙量为Ck的子模型(不规则沙粒)，仿照步骤S7.5～7.7，可生成含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型(不规则沙粒)。
S8.6中，不同含沙量轨枕-道床离散元模型(不规则沙粒)中的接触类型包括：ball-ball接触、ball-facet接触、ball-pebble接触、pebble-pebble接触、pebble-facet接触。
上述步骤中，道床断面边坡修整可利用以下几何体进行颗粒删除。此外，在模型生成过程中可适当考虑砟肩堆高。
***********左侧边坡修整***********
geometry set bianjie_you2(创建的几何体名称为bianjie_you2)
geometry node id 21 -1.4875,0.9,0.68(创建ID号为21的几何体顶点)
geometry node id 22 -2.7,0.9,0.68(创建ID号为22的几何体顶点)
geometry node id 23 -2.7,0.9,0(创建ID号为23的几何体顶点)
geometry node id 24 -2.7,-0.9,0(创建ID号为24的几何体顶点)
geometry node id 25 -2.7,-0.9,0.68(创建ID号为25的几何体顶点)
geometry node id 26 -1.4875,-0.9,0.68(创建ID号为26的几何体顶点)
geometry polygon id 21nodes 21 22 23group bianjie_you3(连接顶点21、22和23形成一个ID为21的三角形)
geometry polygon id 22nodes 24 25 26group bianjie_you3(连接顶点24、25和26形成一个ID为22的三角形)
geometry polygon id 23nodes 22 23 24 25group bianjie_you3(连接顶点22、23、24和25形成一个ID为23的四边形)
geometry polygon id 24nodes 21 22 25 26group bianjie_you3(连接顶点21、22、25和26形成一个ID为24的四边形)
geometry polygon id 25nodes 21 23 24 26 group bianjie_you3(连接顶点21、23、24和26形成一个ID为25的四边形)
ball del range geometry bianjie_you2 count 1(删除几何体bianjie_you2范围内的ball单元)
clump del range geometry bianjie_you2 count 1(删除几何体bianjie_you2范围内的clump单元)
；***********右侧边坡修整***********
geometry set bianjie_you
geometry node id 1 1.4875,0.9,0.68
geometry node id 2 2.7,0.9,0.68
geometry node id 3 2.7,0.9,0
geometry node id 4 2.7,-0.9,0
geometry node id 5 2.7,-0.9,0.68
geometry node id 6 1.4875,-0.9,0.68
geometry polygon id 1nodes 1 2 3 group bianjie_you1
geometry polygon id 2nodes 4 5 6 group bianjie_you1
geometry polygon id 3nodes 2 3 4 5 group bianjie_you1
geometry polygon id 4nodes 1 2 5 6 group bianjie_you1
geometry polygon id 5nodes 1 3 4 6 group bianjie_you1
ball del range geometry bianjie_you count 1
clump del range geometry bianjie_you count 1
本发明提供的实施例中，编写的Fish函数如下：
第一fish语言，沙粒删除代码
Figure BDA0002993046620000171
Figure BDA0002993046620000181
第二fish语言，沙粒ball单元与沙粒clump单元之间的替换代码
①沙粒ball单元替换为clump单元
Figure BDA0002993046620000182
Figure BDA0002993046620000191
②沙粒clump单元替换为ball单元
Figure BDA0002993046620000192
第三fish语言，子模型生成导出代码
wall delete facets(删除所有墙体)
domain extent-0.15 0.15-0.15 0.15 0 0.3condition periodic(设置模型区域)
brick make id 1(生成id号为1的块单元)
brick export id 1nothrow(导出块单元)
第四fish语言，子模型导入新建区域及边界墙体生成代码
new
set echo off(不在状态记录窗口显示)
domain extent-2.7 2.7 -0.3 0.3 0 1(定义模型区域)
set random 10001(设置随机数)
brick import id 1(导入id号为1的块体单元)
brick assemble id 1origin-2.7 -0.3 0size 18 2 2(将导入的块体进行复制装配)wall generate box-2.7 2.7 -0.3 0.3 0 1(生成墙体)
第五fish语言，等质量颗粒替换代码，以颗粒数为n进行示例。
Figure BDA0002993046620000193
Figure BDA0002993046620000201
第六fish语言，颗粒中心坐标替换法代码。沙粒圆度为0.4的不规则沙粒进行示例。开始之前应将球形沙粒按照ID号等分为4组，分别为S1、S2、S3和S4。选取替换S1组进行示例。
Figure BDA0002993046620000202
Figure BDA0002993046620000211
在本实施例中，还具有一个验证模型构建效果的过程，具体为构建符合如下参数条件的沙粒含量为15％的道床离散元模型(不规则沙粒)并进行细观结构建模：
模型计算区域高1m，长5.4m，宽0.6m，轨枕采用新II型混凝土枕，道床顶面宽度3.5m，道床厚度0.35m；
墙体(wall)相关参数：法向接触刚度5×108N/m，切向接触刚度5×108N/m，摩擦系数0.4；
沙粒(clump)相关接触参数：法向接触刚度2.5×108N/m，切向接触刚度2.25×108N/m，摩擦系数0.65，调整后的沙粒密度为2680kg/m3，沙粒粒径合理模拟尺寸dz＝3.05mm；
道砟(clump)相关接触参数：法向接触刚度3×108N/m，切向接触刚度3×108N/m，摩擦系数0.7，密度2600kg/m3；
所占虚拟网格编号为222、232、212；
不规则沙粒数目为3N0，其中N0＝27262；
所需沙粒的倍数λ＝3；
圆度为0.4的沙粒组名为S_0.4，占比25％；圆度为0.5的沙粒组名为S_0.5，占比25％；圆度为0.6的沙粒组名为S_0.6，占比25％；圆度为0.7的沙粒组名为S_0.7，占比25％；
道砟颗粒组名为Ballast，轨枕组名为Sleeper，轨枕密度为2500kg/m3；
沙粒子模型生成时，球形沙粒粒径缩小系数取0.3；
道砟按照既有线一级碎石道砟级配生成，最大粒径63mm；最小粒径25mm。
采用本发明的基于PFC 3D的风沙铁路道床离散元模型的生成方法，对其细观结构建模进行的操作步骤如下：
(1)构建道砟子模型边界墙，按照道砟粒径级配生成图2的道砟子模型。
(2)在道砟子模型中生成N0个球形沙粒，生成类似于图3的沙粒-道砟混合模型，但其含沙量为5％。
(3)利用邻近网格填充法，生成含沙量为15％的沙粒-道砟混合模型，填充过程如图8和10所示。
(4)赋予除摩擦系数之外的其他接触参数及颗粒属性，沙粒密度设为2650kg/m3，设置100倍质量的重力平衡条件，不平衡力设为1e-4，平衡模型。
(5)球形沙粒ball替换为不同圆度不规则沙粒clump。
(6)赋予除摩擦系数之外的其他接触参数及颗粒属性，沙粒密度调整为2680kg/m3，设置100倍质量的重力平衡条件，不平衡力设为1e-4，平衡模型。
(7)利用brick make和brick export命令生成和导出15％含沙量的沙粒-道砟子模型。
(8)新建模型区域，长为5.4m，宽为0.6m，高为1m的边界墙，复制含沙量为15％的沙粒-道砟子模型72份(18×2×2)，其中沿长度方向18份，沿宽度方向2份，沿高度方向2份，进行子模型组合拼装。
(9)修整道床断面，删除多余的沙粒及道砟。
(10)将重力平衡参数设为9.81，赋予墙体接触参数，并给定颗粒间的摩擦系数，放置图5轨枕子模型，设定不平衡力为1e-3，平衡模型。
(11)再次修整道床断面，完成15％含沙量的道床-轨枕离散元模型的建模(不规则沙粒)，如图1所示。
综上所述，本发明提供的一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，首先在指定细颗粒(沙粒、煤灰、灰尘等)、道砟子模型区域，建立细颗粒、道砟子模型，设置周期边界将细颗粒(沙粒、煤灰、灰尘等)模型导入道砟子模型，使其发生重叠，然后利用颗粒删除法生成了近似全空隙填充的细颗粒(沙粒、煤灰、灰尘等)-道砟子模型。借助子模型组合法将细颗粒(沙粒、煤灰、灰尘等)-道砟子模型组装成道砟箱模型，利用颗粒等质量替换法进行沙粒粒径敏感性分析，确定合理的细颗粒粒径模拟尺寸。在此基础上，采用合理的细颗粒尺寸，借助邻近网格填充法、子模型组合法生成了不同细颗粒含量的道床离散元模型。考虑细粒之间咬合作用，利用3个球体构建了不同圆度的不规则细颗粒模板，并利用中心坐标颗粒替换法，生成了含有不规则细颗粒的道床模型，用于更精确的分析细颗粒含量对道床力学特性的影响，更细致的表征细颗粒与道砟之间的细观接触特性。与现有方法相比，本发明通过自编fish语言函数实现了三维空间含细颗粒的铁路道床快速建模和道砟空隙的快速填充，解决了细颗粒与道砟粒径相差悬殊而引起的细颗粒悬浮、模型难以平衡的问题。
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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，其特征在于，包括：
构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型；
建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型；
对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型；
建立道砟箱模型墙体边界，将所述沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型；
基于所述沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸；
基于道砟子模型，结合所述沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型；
基于所述初始含沙量的轨枕-道床离散元模型，通过邻近网格填充方法构建任意沙粒含量的子模型，对该任意沙粒含量的子模型进行组合修正操作，获得球形沙粒的轨枕-道床离散元模型；
利用中心坐标颗粒替换方法，将不同的初始含沙量子模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，通过子模型组合拼装、道床断面修整和模型平衡，构建不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型；
根据沙粒的颗粒类别，赋予所述轨枕-道床离散元模型相应的接触参数及颗粒属性，完成具有不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型的构建。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型包括：
通过domain extent命令设置第一模型区域，通过wall generate box命令在该第一模型区域内构建所述沙粒试样边界墙体；
对预制的沙漠沙粒进行筛分，获得实际沙粒粒径级配，放大该实际沙粒的粒径，结合ball generate命令获得仿真沙粒；
设置该仿真沙粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过ball delete命令删除z轴坐标大于所述第一模型区域宽度值的所述仿真沙粒，并删除所述沙粒试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得所述沙粒子模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述接触参数包括接触刚度kn和切向接触刚度ks，通过计算公式
Figure FDA0002993046610000021
和ks＝kn/k* (16)的有效接触模量Ec、有效接触半径r及刚度比k*计算获得；ra和rb为两个相互接触的仿真沙粒半径。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型包括：
设置第二模型区域，通过wall generate box命令在所述第二模型区域内构建所述道砟试样边界墙体，获得道砟不规则外形，进一步获得不规则道砟文件颗粒模板；
基于该不规则道砟文件颗粒模板，并根据道砟级配，通过clump generate命令获得道砟颗粒；
设置该道砟颗粒的密度、接触参数、重力和平衡条件，达到平衡后通过clump delete命令删除z轴坐标大于所述第二模型区域宽度值的所述道砟颗粒，并删除所述道砟试样边界墙体，设置周期性边界，通过brick make命令获得所述道砟子模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型包括：
通过brick import命令将所述沙粒子模型导入到所述道砟子模型中，缩小导入的沙粒子的半径，通过设置第一fish语言删除与道砟颗粒相重叠的沙粒，恢复其它缩小的沙粒子的半径；
通过设置第二fish语言将导入的所述沙粒子模型中的沙粒ball单元替换为沙粒clump单元，重置颗粒密度、接触参数、重力和平衡条件；
达到平衡后设置周期边界，设置第三fish语言，并通过该第三fish语言中的brickmake和brick export命令获得所述沙粒-道砟子模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的建立道砟箱模型墙体边界，将所述沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型包括：
通过new domain extent命令设置第三模型区域，通过wall generate box命令构建道砟箱边界墙，获得道砟箱模型；
通过brick import命令导入所述沙粒-道砟子模型，通过brick assemble命令设置拼装起始点和所需的所述沙粒-道砟子模型的数量，删除预置轨枕位置的沙粒和道砟颗粒；
导入预制的轨枕的文件，通过clump replicate命令构建轨枕离散模型，根据轨枕位置，设置周期性边界条件，通过所述第三fish语言中的brick make和brick export命令获得所述轨枕子模型；
通过brick import和brick assemble命令，将所述轨枕子模型放置到所述道砟箱模型中，删除所述道砟箱边界墙外的颗粒，将所述沙粒clump单元恢复为所述沙粒ball单元，重置接触参数和颗粒属性，设置平衡条件，使所述道砟箱模型达到平衡；
设置重力，重置平衡条件，获得所述沙粒粒径敏感性分析模型。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的基于所述沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸包括：
设所述的进行放大处理的沙粒为原沙粒，粒径为d0，半径为r0，质量为m0，设所述的缩小导入到所述道砟子模型中的沙粒的粒径为di，半径为ri，设置n为所需沙粒数目，ρs为沙粒密度，通过公式m0＝mi
Figure FDA0002993046610000031
和
Figure FDA0002993046610000032
建立缩小后的沙粒半径ri、所需沙粒数目n与原沙粒半径r0之间的联系；
使沙粒粒径逐渐接近1mm，并将沙粒模拟尺寸做离散化处理，设置多个n的取值；
通过设置第五fish语言获取所述原沙粒的位置坐标及半径r0，将该原沙粒的位置坐标作为沙粒粒径缩小的替换颗粒组的中心坐标，根据该替换颗粒组的沙粒的排列位置，获得该替换颗粒组每个沙粒的位置坐标，将n值带入公式(4)获得沙粒缩小后的半径，通过所述第五fish语言进行颗粒替换；
通过公式F(t)＝F0(1-cos2πft) (5)向所述沙粒敏感性分析模型中的轨枕施加余弦荷载；式中，F0为施加在轨枕上的荷载半峰值，f为荷载频率，t为加载时间；
提取道砟颗粒在峰值载荷作用时的指标，绘制该指标与沙粒模拟半径的关系曲线，并基于该关系曲线获得位于指标变化相对稳定点的沙粒半径ri，并结合计算效率，获得沙粒仿真粒径dz。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的基于道砟子模型，结合所述沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型包括：
重置所述道砟子模型的建模区域和道砟试样边界墙体；
设置Ck为道床中的沙粒含量，表达式为
Figure FDA0002993046610000033
式中，
Figure FDA0002993046610000034
Figure FDA0002993046610000035
Figure FDA0002993046610000036
Vs为沙粒体积，Vo道床中道砟空隙体积，ms为沙粒总质量，ρs为沙粒密度，mb为道砟总质量，ρb为道砟密度，Vb为道砟体积，Vt为总体积，Nb为道砟颗粒数目，Ns为沙粒数目，Vis为第i个沙粒的体积，Vjb为第j个道砟的体积；
设置初始含沙量C0＝5％，道砟子模型总体积Vt＝0.027m3，通过Vb＝clump.vol(c)函数获得道砟颗粒体积Vb，根据公式Vs＝(Vt-Vb)×5％(11)和
Figure FDA0002993046610000037
获得所需沙粒数目N0，通过ball generate命令构建沙粒；
设置周期性边界，删除该道砟试样边界墙体，替换沙粒ball单元为沙粒clump单元，通过所述第三fish语言的brick make和brick export命令构建初始含沙量C0为5％的子模型；
导入预制的轨枕的文件，在轨枕几何外形内规则排列多个球体，获得轨枕clump模型，设置周期性边界，通过所述第三fish语言的brick make和brick export命令导出所述轨枕子模型；
新建模型项目文件，设置第四模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.30.3 0 1，设置第四fish语言，并通过该第四fish语言的brick import和brick assemble命令将初始含沙量C0为5％的子模型和轨枕子模型导入到所述第四模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用所述第二fish语言的ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成了初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的基于所述初始含沙量的轨枕-道床离散元模型，通过邻近网格填充方法构建任意沙粒含量的子模型，对该任意沙粒含量的子模型进行组合修正操作，获得球形沙粒的轨枕-道床离散元模型包括：
导入所述初始含沙量C0为5％的轨枕-道床离散元模型，设置沙粒含量Ck，通过公式
Figure FDA0002993046610000041
计算出所需沙粒的倍数λ；式中，Ck为C0的整数倍，Ck的取值范围为(5％<Ck≤100％)，其中k为正整数，且Ck＝kC0+C0；
构建具有编号的虚拟网格，设置I表示虚拟网格列号，J表示虚拟网格行号，P表示虚拟网格层号；
通过所述第五fish语言将初始含沙量的每个沙粒的中心坐标置于该虚拟网格的中心区域，以该中心区域为圆心进行环绕填充；
设置接触参数及属性和平衡条件，达到平衡后删除墙体，设置周期性边界，获得含沙量为Ck的子模型，将沙粒ball单元替换为沙粒clump单元；
新建模型项目文件，设置第五模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.30.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到所述第五模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，形成初始含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的利用中心坐标颗粒替换方法，将不同的初始含沙量子模型中的球形沙粒，利用不规则沙粒模板进行替换，通过子模型组合拼装、道床断面修整和模型平衡，构建不同沙粒含量的轨枕-道床离散元模型包括：
通过公式
Figure FDA0002993046610000042
定义沙粒圆度SF，基于椭球体空间几何形状，通过3球重叠组合方式构建圆度为0.4、0.5、0.6、0.7的沙粒模板；式中，dmin(L2)为椭球最短轴长度；dmax(L1)椭球最长轴长度；
导入含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型，通过设置第六fish语言获得球形沙粒的位置坐标及半径信息，以球形沙粒的位置坐标为不规则沙粒clump单元的中心坐标，以球形沙粒的直径作为不规则沙粒的粒径，进行颗粒替换；
通过所述第六fish语言统计球形沙粒的ID号，基于球形沙粒的ID号对球形沙粒进行分组不规则沙粒替换操作，该不规则沙粒替换操作完成后删除球形沙粒；
通过Vb＝clump.vol(c)函数统计不规则沙粒所占的体积，调整不规则沙粒密度参数；
新建模型项目文件，设置第六模型区域和墙体边界wall generate box-2.7 2.7-0.30.3 0 1，通过brick import和brick assemble命令将初始含沙量为Ck的子模型和轨枕子模型导入到所述第六模型区域中，替换沙粒clump单元为沙粒ball单元，设置接触参数及属性、重力和平衡条件，进行模型平衡；
重置重力和平衡条件，进行模型平衡；
利用ball delete和clump delete命令删除道床边坡范围外的道砟和沙粒，修整道床断面，构建含沙量为Ck的轨枕-道床离散元模型。
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