CN113392531B - 一种湿化有砟道床数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种湿化有砟道床数值模拟方法,涉及轨道交通技术领域。方法具体步骤包括:利用离散单元法对有砟道床部件进行建模,有砟道床部件包括轨枕以及多个不同形状的道砟颗粒;利用室外参数标定试验以及基于JKR接触本构的参数标定仿真试验,对湿化状态下道砟颗粒的关键参数进行标定,关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能;基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构,构建湿化有砟道床模型,并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。本申请用于真实模拟湿化后道砟颗粒间的接触关系。
Description
技术领域
本申请涉及轨道交通技术领域,尤其涉及一种湿化有砟道床数值模拟方法。
背景技术
有砟轨道是高速铁路的重要轨道结构型式之一,具有良好的排水性能,从而提高路基的承载能力并减少基床病害。但作为一种散粒体结构,道砟颗粒在高速列车循环荷载作用下会发生道砟破碎、粉化等劣化现象,从而引发道床脏污,致使道床排水受阻。在降雨天气作用下,脏污道床内部会逐渐形成积水,降低了道砟颗粒之间的摩阻力,减小了道床阻力,严重时会导致粉煤渣与积水形成浆液包裹道砟,形成道床板结,严重影响道床的服役性能。因此针对雨水条件下有砟轨道力学特性的研究,对维持有砟轨道在复杂气候条件下服役性能稳定有着重要意义。碎石道砟间的接触形式变化多样,道砟接触参数受材料、形状和级配等因素的影响表现出高度的离散性,当雨水浸入道床之后,会改变道砟颗粒之间原有的接触关系,同时和脏污颗粒之间相互作用,产生黏聚效应,道床内部力学机制极其复杂。
目前,国内外学者主要通过室内试验的方法研究湿化有砟道床的力学特性,但室内试验成本较高,初始变量难以把控,且难以反映湿化道床内部细观力学机制。崔旭浩采用离散元平行黏结接触本构模拟道砟与脏污颗粒在湿化状态下的接触关系,研究脏污道床在湿化后的板结机理,以及道床力学性能的变化规律,发现道床板结会显著加剧道砟颗粒在列车荷载作用下的动力响应,更容易引起道砟颗粒破碎粉化,影响有砟道床的服役性能。伍超利用颗粒黏结接触本构模拟脏污湿化道床的板结状态,通过黏结键的强度反映道床板结程度,进而研究捣固作业对不同板结程度道床的养护维修效果。
但是,既有方法通过在离散元中设置黏结键模拟道床湿化后颗粒间的黏聚效应,黏结力主要取决于颗粒间的接触关系。在外力作用下,道砟颗粒会发生剧烈的动力响应,当颗粒的位移达到一定程度时,黏结键瞬间发生断裂,颗粒间的黏结力消失。而对于真实湿化状态的有砟道床,道砟发生相对反向位移时,颗粒间的黏结力不断衰减,直至消失,与黏结键模拟的瞬变过程差异较大。
发明内容
本申请的提供一种湿化有砟道床数值模拟方法,通过基于JKR接触本构模拟湿化道砟颗粒间的接触关系,并通过响应面法对模型的关键参数进行标定;然后基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构,构建湿化有砟道床模型,避免了黏结键模拟的瞬变过程导致差异较大的弊端,实现了有砟道床湿化后道砟颗粒间的接触关系的准确模拟。
为达到上述目的,本申请的提供了一种湿化有砟道床数值模拟方法,包括以下步骤:
S1:利用离散单元法对有砟道床部件进行建模,其中,所述有砟道床部件包括轨枕以及多个不同形状的道砟颗粒;
S2:利用室外参数标定试验以及基于JKR接触本构的参数标定仿真试验,对湿化状态下道砟颗粒的关键参数进行标定;其中,所述关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能;
S3:基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构,构建湿化有砟道床模型,并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。
进一步的是,步骤S1具体包括:
S101:分别获取多个不同形状的道砟颗粒的三维外形;其中,多个所述道砟颗粒的三维外形均是利用激光扫描道砟颗粒的各个面的外形特征并将其进行整合所得到的;
通过内部球体填充的方式分别对多个道砟颗粒的三维外形进行填充,得到多个不同形状的道砟颗粒离散元模型;
S102:利用刚性几何体结构对轨枕进行建模,得到轨枕离散元模型。
进一步的是,步骤S101中,道砟颗粒离散元模型的剪切模量、泊松比和密度分别为15~30GPA、0.15~0.2、2400~2750kg/m3;步骤S102中,轨枕离散元模型的剪切模量、泊松比和密度分别为12~18Gpa、0.2~0.3、2100~2400kg/m3。
进一步的是,所述JKR接触本构的表达式为:
式中,γ为湿颗粒的表面能,α为接触面半径,δ为法向重叠量;E*为等效弹性模量,R*为等效接触半径。
进一步的是,步骤S2具体为:
利用室外道砟圆筒堆积试验以及基于JKR接触本构的仿真道砟圆筒堆积模拟试验;并利用休止角对湿化状态下道砟颗粒的关键参数进行标定;其中,所述关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能。
进一步的是,步骤S2具体包括:
S201:筛选道砟颗粒并将其放入水中浸泡10-15小时,利用其进行室外道砟圆筒堆积试验,得到湿化道砟颗粒堆积体的第一休止角;重复多次所述室外道砟圆筒堆积试验,并计算多个第一休止角的平均值;
S202:利用步骤S201得到的平均值,并根据不同关键参数分别建立对应的基于JKR接触本构的道砟圆筒堆积仿真模型;利用其进行仿真试验,得到与关键参数对应的湿化道砟颗粒堆积体的第二休止角;
S203:根据不同关键参数分别对应的第二休止角并利用响应面法计算分析得到最优值,并将最优值作为标定的关键参数,所述关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能。
进一步的是,所述静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能所对应的最优值分别为0.51、0.12和31.1J/m2。
进一步的是,室外道砟圆筒堆积试验以及基于JKR接触本构的仿真道砟圆筒堆积模拟试验中圆筒的直径大于道砟颗粒中最大粒径的4-5倍,圆筒高度为圆筒直径的3-4倍。
本申请相比现有技术具有以下有益效果:本发明能真实反映道砟颗粒在外力作用下发生移动时黏结力的衰变过程,相比于既有方法具有更高的准确度及精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例,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1-4为本申请实施例1部分道砟颗粒离散元模型图;
图5为本申请实施例1轨枕离散元模型图;
图6为本申请实施例1基于JKR接触本构的仿真道砟堆积模拟试验过程图;
图7为本申请实施例1湿化有砟道床模型图;
图8为本申请实施例1湿化有砟道床数值模拟方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1:参见图8,本申请实施例提供了一种湿化有砟道床数值模拟方法,包括以下步骤:
S1:有砟道床部件的建模。
S101:将10种道砟颗粒以不同的角度摆放到扫描台上,利用激光分别扫描获取10种不同形状的道砟颗粒的各个面的外形特征;将获取的各个面的外形特征进行整合,得到10种不同形状道砟颗粒完整而精确的三维外形;在此基础上,通过内部球体填充的方式分别对10种不同形状的道砟颗粒的三维外形分别进行填充,得到10种不同形状的道砟颗粒离散元模型,部分道砟颗粒离散元模型如图1-4所示。道砟颗粒离散元模型的剪切模量、泊松比和密度,其分别为15~30GPA、0.15~0.2、2400~2750kg/m3。本实施例参数取值如表1所示:
表1道砟颗粒离散元模型参数
S102:利用刚性几何体结构对轨枕进行建模,得到轨枕离散元模型,如图5所示。道砟颗粒离散元模型的剪切模量、泊松比和密度分别为12~18Gpa、0.2~0.3、2100~2400kg/m3。本实施例参数取值如表2所示:
表2轨枕离散元模型参数
S2:关键参数的标定,关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能。
S201:第一休止角的平均值的计算
筛选特级级配道砟颗粒,并将筛选出的道砟颗粒放入水中浸泡10-15小时,将浸泡后的道砟颗粒均匀装入圆筒,当达到圆筒内0.5m高度时即停止装入;以1cm/s的速度匀速向上提拉圆筒,让道砟颗粒在重力作用下自然下落,逐渐形成圆锥体的堆积体;待堆积体稳定后,测量堆积体的第一休止角;重复多次所述圆筒堆积试验,并计算得到第一休止角的平均值为35.8°。
休止角堆积试验选用由聚氨酯做成的圆筒,保证圆筒内部的光滑程度,以减少界面摩擦对测试的影响。圆筒的尺寸由道砟颗粒的直径决定,圆筒的直径应大于道砟颗粒中最大粒径的4-5倍,并且圆筒高度为直径的3-4倍,因此圆筒参数确定为:内径250mm,高1000mm。
S202:利用步骤S201得到的第一休止角的平均值。并根据不同关键参数分别建立与其对应的基于JKR接触本构的道砟圆筒堆积仿真模型;利用其进行仿真试验,得到湿化道砟颗粒堆积体的第二休止角。仿真试验过程图如图6所示。
S203:根据不同关键参数分别对应的第二休止角并利用响应面法计算分析得到关键参数的最优值,并将最优值作为标定的关键参数。静摩擦系数取0.51,滚动摩擦系数取0.12,表面能取31.1J/m2。
S3:湿化有砟道床模型的构建
基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构,首先,生成大量的道砟颗粒离散元模型进行堆积,其次,利用与真实有砟道床外形相符的刚性几何体对堆积的道砟集料进行压密,最后,将轨枕安置在压密后道砟集料的固定位置,并再一次压实,得到湿化有砟道床模型,如图7所示,并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。
JKR接触本构的表达式为:
式中,γ为湿颗粒的表面能,α为接触面半径,δ为法向重叠量;E*为等效弹性模量,R*为等效接触半径,可通过下式得出:
式中:E1、E2分别为两个颗粒的弹性模量;υ1、υ2分别为两个颗粒的泊松比;R1、R2分别为两个颗粒的半径。
本发明提出基于JKR本构的湿化有砟道床模型可有效反映颗粒间湿化黏结力的缓变过程,与真实情况更加符合,显著提高了模型的计算准确度。
以上,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:利用离散单元法对有砟道床部件进行建模,其中,所述有砟道床部件包括轨枕以及多个不同形状的道砟颗粒;
S201:筛选道砟颗粒并将其放入水中浸泡10-15小时,利用其进行室外道砟圆筒堆积试验,得到湿化道砟颗粒堆积体的第一休止角;重复多次所述室外道砟圆筒堆积试验,并计算多个第一休止角的平均值;
S202:利用步骤S201得到的平均值,并根据不同关键参数分别建立对应的基于JKR接触本构的道砟圆筒堆积仿真模型;利用其进行仿真试验,得到与关键参数对应的湿化道砟颗粒堆积体的第二休止角;
S203:根据不同关键参数分别对应的第二休止角并利用响应面法计算分析得到最优值,并将最优值作为标定的关键参数,所述关键参数包括静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能;
S3:基于建模后的有砟道床部件、已标定的关键参数以及JKR接触本构,构建湿化有砟道床模型,并开展道砟颗粒间湿化粘结数值实验。
2.根据权利要求1所述的一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,步骤S1具体包括:
S101:分别获取多个不同形状的道砟颗粒的三维外形;其中,多个所述道砟颗粒的三维外形均是利用激光扫描道砟颗粒的各个面的外形特征并将其进行整合所得到的;
通过内部球体填充的方式分别对多个道砟颗粒的三维外形进行填充,得到多个不同形状的道砟颗粒离散元模型;
S102:利用刚性几何体结构对轨枕进行建模,得到轨枕离散元模型。
3.根据权利要求2所述的一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,步骤S101中,道砟颗粒离散元模型的剪切模量、泊松比和密度分别为15~30GPA、0.15~0.2、2400~2750kg/m3;步骤S102中,轨枕离散元模型的剪切模量、泊松比和密度分别为12~18Gpa、0.2~0.3、2100~2400kg/m3。
4.根据权利要求1所述的一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,所述JKR接触本构的表达式为:
式中,γ为湿颗粒的表面能,α为接触面半径,δ为法向重叠量;E*为等效弹性模量,R*为等效接触半径。
5.根据权利要求4所述的一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,所述静摩擦系数、滚动摩擦系数和表面能所对应的最优值分别为0.51、0.12和31.1J/m2。
6.根据权利要求5所述的一种湿化有砟道床数值模拟方法,其特征在于,室外道砟圆筒堆积试验以及基于JKR接触本构的仿真道砟圆筒堆积模拟试验中圆筒的直径大于道砟颗粒中最大粒径的4-5倍,圆筒高度为圆筒直径的3-4倍。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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