CN117875139B - 无砟轨道多尺度损伤演变分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，包括获取目标无砟轨道数据信息；生成随机骨料模型；建立初始模型作为当前模型并设定当前约束条件；在当前约束条件下对当前模型施加当前加载步的荷载并求解；计算梁单元损伤指标和一级平面单元损伤指标；删除当前模型所有约束和载荷；将梁单元转换为一级平面单元，将一级平面单元细化得到精细化单元；遍历精细化单元并导入随机骨料模型；重新添加接触关系得到新的当前模型并设定新的当前约束条件；重复以上步骤直至加载步满足设定要求；进行后处理完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。本发明还公开了一种实现所述无砟轨道多尺度损伤演变分析方法的系统。本发明可靠性高、精确性好且效率高。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法及系统。
背景技术
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，高速铁路系统已经广泛应用于人们的生产和生活当中，给人们的生产和生活带来了极大的便利。CRTS III型板式无砟轨道在高速铁路系统中得到了广泛应用；因此，针对CRTS III型板式无砟轨道的损伤演变分析，就显得尤为重要。
CRTS III型板式无砟轨道一般包括了钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基部分。在针对CRTS III型板式无砟轨道进行损伤演变分析过程中，大多研究者均采用宏观模型进行研究，现有的宏观模型难以准确反映复杂荷载下的损伤演变过程和精确的应力水平。此外，若全局采用细观模型，将极大耗费计算资源和时间，甚至无法计算。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、精确性好且效率较高的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法。
本发明的目的之二在于提供一种实现所述无砟轨道多尺度损伤演变分析方法的系统。
本发明提供的这种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，包括如下步骤：
S1. 获取目标无砟轨道的数据信息；
S2. 根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型；
S3. 根据获取的目标无砟轨道的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件；
S4. 在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解；
S5. 根据步骤S4得到的求解结果，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算；
S6. 删除当前模型中的所有约束和载荷；
S7. 根据步骤S5得到的损伤指标计算结果，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元；
S8. 根据映射判别算法，对步骤S7得到的精细化单元进行遍历并导入步骤S2生成的随机骨料模型；
S9. 对完成了步骤S8的模型重新添加接触关系，得到新的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件；
S10. 重复步骤S4~S9，直至加载步满足设定的要求；
S11. 根据最终得到的无砟轨道的多尺度模型及对应的数据，进行后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。
所述的步骤S2，具体包括如下步骤：
根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，采用瓦拉文公式计算出各集配段所含的骨料面积百分比；
基于蒙特卡洛法生成满足各级配骨料百分比含量的骨料模型；所述骨料模型包括圆形骨料模型、多边形骨料模型、椭圆骨料模型和混合骨料模型；
根据生成的骨料模型，对骨料模型的骨料信息进行保存。
所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
在ANSYS有限元软件中进行建模；
钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基均采用3D梁单元BEAM188进行模拟；
导入钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的对应截面参数，并加密截面网络；
钢轨和轨道板的竖向连接采用COMBIN14弹簧单元，钢轨和轨道板的纵向连接采用COMBIN39弹簧单元；
轨道板和自密实混凝土的梁单元之间，采用刚臂绑定连接；
自密实混凝土和底座板之间、底座板和路基单元之间，均采用接触单元进行连接；
设定钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的材料参数；所述材料参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数和密度；
最后，设定初始约束条件。
所述的步骤S5，具体包括如下步骤：
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有梁单元进行遍历，并计算梁单元损伤指标：/>式中/>为梁单元的最大纵向拉应力；/>为混凝土标准抗拉强度；
记录梁单元损伤指标大于第一设定值的梁单元，并作为待变换梁单元；
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的所有一级平面单元进行遍历，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元，计算一级平面单元损伤指标：式中/>为第一中间变量，且/>，/>为混凝土单轴抗拉强度代表值，/>为混凝土弹性模量，/>为混凝土峰值拉应变；x为第二中间变量，且，/>为混凝土应变；/>为混凝土受拉应力-应变曲线下降段的参数；
记录一级平面单元损伤指标大于第二设定值的一级平面单元，并作为待精细化一级平面单元。
所述的步骤S7，具体包括如下步骤：
采用如下步骤将对应的梁单元转换为一级平面单元：
获取待变换梁单元的数据信息；
将待变换的梁单元删除，同时删除用于连接该梁单元的弹簧单元或接触单元；
在删除的梁单元位置，建立二维平面单元，并赋予新建立的二维平面单元混凝土本构模型，并划分网格，从而得到转换后的一级平面单元；
采用如下步骤将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元：
对待精细化一级平面单元，进行网格细化；网格细化后，一级平面单元分为未细化的一级平面单元、二级精细化网格单元和过渡网格单元；未细化的一级平面单元定义为未被网格细化的一级平面单元，二级精细化网格单元定义为经过网格细化的一极平面单元，过渡网格单元定义为位于未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元之间、且连接未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元的网格单元；
针对二级精细化网格单元，采用如下步骤更改单元类型：
对轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有二级精细化网格单元进行遍历，并判断：
若当前二级精细化网格单元的对角线距离相等，则进行下一个二级精细化网格单元的判断；
若当前二级精细化网格单元的对角线距离不相等，则将当前二级精细化网格单元的单元类型更改为过渡单元；
完成轨道板、自密实混凝土和底座板中所有二级精细化网格单元的遍历和单元类型更改，得到最终的二级精细化网格单元。
所述的步骤S8，具体包括如下步骤：
将步骤S2生成的随机骨料模型导入ANSYS软件；
根据骨料信息在自密实混凝土截面中的位置，将骨料、砂浆和界面映射到二级精细化网格单元中，并根据二级精细化网格单元的形心位置，进行二级精细化网格单元的判断：
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的界面单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域外部，则该二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在骨料区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；
具体实施时：
若骨料为圆形骨料，则：若则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元，若/>则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若/>则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；其中d为二级精细化网格单元的形心坐标到骨料圆心的距离，/>为界面半径大小，/>为骨料半径；
若骨料为椭圆骨料、多边形骨料或混合骨料，则：若二级精细化网格单元的形心坐标与界面边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若二级精细化网格单元的形心坐标与骨料边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元，否则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元。
所述的步骤S9，具体包括如下步骤：
在轨道板和自密实混凝土之间添加接触关系：
若只有轨道板梁单元变换为一级平面单元，则在钢轨和轨道板一级平面单元之间添加竖向弹簧和纵向弹簧，同时在轨道板一级平面单元和自密实混凝土梁单元之间添加刚臂绑定连接；
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板梁单元和自密实混凝土一级平面单元间添加刚臂绑定连接；
若轨道板梁单元变换为一级平面单元且自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板一级平面单元和自密实混凝土一级平面单元间添加接触单元绑定连接；所述接触单元绑定连接为线线接触绑定连接；
在自密实混凝土和底座板之间添加接触关系：
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若只有底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土梁单元和底座板一级平面单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元且底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板一级平面单元之间添加线线接触单元，并为线线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
在底座板和路基之间添加接触关系：
在底座板一级平面单元和地基梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
将添加了接触关系后的模型作为当前模型；
添加约束条件：
在钢轨两端添加全部约束；
在路基两端添加对称约束；
对所有梁单元的Z轴方向、X 轴方向添加转动自由度约束，并为Z轴方向添加垂直平面方向约束；
若未施加沉降载荷，则对路基添加全约束；若施加沉降载荷，则在沉降波长范围内施加竖向位移用于模拟沉降，并在沉降波长范围外的路基添加全约束。
步骤S11所述的后处理，具体包括如下步骤：
对于梁单元，获取梁单元的位移数据和弯矩数据；获取梁单元的截面对应栅点的应力值和应变值，以得到梁单元的顶部应力和应变值以及梁单元的底部应力和应变值；
对于一级平面单元，获取一级平面单元的位移、应力和应变数据；通过对应力进行积分获得弯矩数据；
采用获取的数据，进行后处理。
本发明还提供了一种实现所述无砟轨道多尺度损伤演变分析方法的系统，包括数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块、重复模块和损伤演变分析模块；数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块和重复模块依次串接，重复模块的输出端同时连接损伤演变分析模块和模型求解模块；数据获取模块用于获取目标无砟轨道的数据信息，并将数据信息上传骨料生成模块；骨料生成模块用于根据接收到的数据信息，根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型，并将数据信息上传初步模型/约束构建模块；初步模型/约束构建模块用于根据接收到的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件，并将数据信息上模型求解模块传；模型求解模块用于根据接收到的数据信息，在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解，并将数据信息上传损伤指标计算模块；损伤指标计算模块用于根据接收到的数据信息，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算，并将数据信息上传约束载荷删除模块；约束载荷删除模块用于根据接收到的数据信息，删除当前模型中的所有约束和载荷，并将数据信息上传转换模块；转换模块用于根据接收到的数据信息，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元，并将数据信息上传骨料导入模块；骨料导入模块用于根据接收到的数据信息，根据映射判别算法，对得到的精细化单元进行遍历并导入生成的随机骨料模型，并将数据信息上传约束载荷添加模块；约束载荷添加模块用于根据接收到的数据信息，对当前模型重新添加接触关系，得到新的无砟轨道的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件，并将数据信息上传重复模块；重复模块用于根据接收到的数据信息，控制模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块和约束载荷添加模块循环工作，直至加载步满足设定的要求，并将数据信息上传损伤演变分析模块；损伤演变分析模块用于根据接收到的数据信息，根据最终得到的无砟轨道多尺度模型及对应的数据，进行无砟轨道多尺度模型的后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。
本发明提供的这种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法及系统，能够同时考虑多种计算尺度，能够更准确地预测混凝土结构在不同层次下的损伤行为；而且本发明通过自动将细观分析应用于损伤较大的区域，有效降低了计算成本，提高了分析的效率；因此本发明的可靠性更高、精确性更好，而且效率更高。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法实施例的圆形随机骨料模型示意图。
图3为本发明方法实施例的椭圆形随机骨料模型示意图。
图4为本发明方法实施例的初始模型示意图。
图5为本发明方法实施例的初始模型截面示意图。
图6为本发明方法实施例的列车荷载简化示意图。
图7为本发明方法实施例的加载模型示意图。
图8为本发明方法实施例的损伤演变示意图。
图9为本发明方法实施例的后处理后得到的竖向位移示意图。
图10为本发明方法实施例的后处理后得到的轨道板应力示意图。
图11为本发明方法实施例的后处理后得到的轨道板弯矩示意图。
图12为本发明方法实施例的后处理后得到的自密实混凝土顶部应力示意图。
图13为本发明方法实施例的后处理后得到的自密实混凝土底部应力示意图。
图14为本发明方法实施例的后处理后得到的自密实混凝土弯矩示意图。
图15为本发明方法实施例的后处理后得到的底座板应力示意图。
图16为本发明方法实施例的后处理后得到的底座板弯矩示意图。
图17为本发明系统的功能模块示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明公开的这种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，包括如下步骤：
S1. 获取目标无砟轨道的数据信息；
S2. 根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型；具体包括如下步骤：
根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，采用瓦拉文公式计算出各集配段所含的骨料面积百分比；
基于蒙特卡洛法生成满足各级配骨料百分比含量的骨料模型；所述骨料模型包括圆形骨料模型、多边形骨料模型、椭圆骨料模型和混合骨料模型；
根据生成的骨料模型，对骨料模型的骨料信息进行保存；具体实施时，将骨料信息写入文件，以便后续导入有限元软件ANSYS；圆形骨料信息包括骨料形心坐标、半径；对于多边形、椭圆和混合骨料模型，还需包含骨料边界点的坐标信息；
S3. 根据获取的目标无砟轨道的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件；具体包括如下步骤：
在ANSYS有限元软件中进行建模；
钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基均采用3D梁单元BEAM188进行模拟；
导入钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的对应截面参数，并加密截面网络；
钢轨和轨道板的竖向连接采用COMBIN14弹簧单元，钢轨和轨道板的纵向连接采用COMBIN39弹簧单元；
轨道板和自密实混凝土的梁单元之间，采用刚臂绑定连接；
自密实混凝土和底座板之间、底座板和路基单元之间，均采用接触单元进行连接；
设定钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的材料参数；所述材料参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数和密度；
最后，设定初始约束条件；
S4. 在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解；具体实施时，可以采用ANSYS中非对称求解器进行求解；所述的荷载包括自重荷载、列车荷载、温度荷载、温度梯度荷载、纵向荷载、不均匀沉降荷载，以及上述荷载的组合荷载；同时，可以设定总加载步为N步，每个加载步加载整个荷载的；
S5. 根据步骤S4得到的求解结果，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算；具体包括如下步骤：
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有梁单元进行遍历，并计算梁单元损伤指标：/>式中/>为梁单元的最大纵向拉应力；/>为混凝土标准抗拉强度，对于C40混凝土取2.39MPa，对于C60混凝土则取2.85Mpa；
记录梁单元损伤指标大于第一设定值（优选为0.6）的梁单元，并作为待变换梁单元；
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的所有一级平面单元进行遍历，基于《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015版）附录C.2.3相关公式（第209~211页）对对应的一级平面单元，计算一级平面单元损伤指标：/>式中为第一中间变量，且/>，/>为混凝土单轴抗拉强度代表值，/>为混凝土弹性模量，/>为混凝土峰值拉应变；x为第二中间变量，且/>，/>为混凝土应变；/>为混凝土受拉应力-应变曲线下降段的参数；
记录一级平面单元损伤指标大于第二设定值的一级平面单元，并作为待精细化一级平面单元；
S6. 删除当前模型中的所有约束和载荷；
S7. 根据步骤S5得到的损伤指标计算结果，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元；具体包括如下步骤：
采用如下步骤将对应的梁单元转换为一级平面单元：
获取待变换梁单元的数据信息；
将待变换的梁单元删除，同时删除用于连接该梁单元的弹簧单元或接触单元；具体实施时，针对轨道板梁单元，将这些梁单元及其关联的连接单元从模型中删除，包括轨道板梁单元与钢轨的竖向和纵向弹簧单元，以及轨道板梁单元与自密实混凝土梁单元之间的刚臂连接；针对自密实混凝土梁单元，将这些梁单元及其关联的连接单元从模型中删除，包括自密实混凝土梁单元与轨道板梁单元间的刚臂连接，以及自密实混凝土梁单元和底座板梁单元间的接触单元；针对底座板梁单元，将这些梁单元及其关联的连接单元从模型中删除，包括底座板梁单元与自密实混凝土梁单元间的接触单元，以及底座板梁单元和路基梁单元间的接触单元；
在删除的梁单元位置，建立二维平面单元，并赋予新建立的二维平面单元混凝土本构模型，并划分网格，从而得到转换后的一级平面单元；所述混凝土本构模型为ANSYS中的Menetrey-Willam塑性模型，硬化和软化段选用HSD2模型，具体参数是参照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010取值，具体为C40和C60混凝土参数参照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010（2015版）附录C.2.3单轴拉伸以及C2.4单轴压缩中的应力-应变曲线和表格（第209~211页）进行取值，抗拉强度和抗压强度参照4.1.3中表格（第19页）取值；
采用如下步骤将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元：
对待精细化一级平面单元，进行网格细化；网格细化后，一级平面单元分为未细化的一级平面单元、二级精细化网格单元和过渡网格单元；未细化的一级平面单元定义为未被网格细化的一级平面单元（这些单元保持原始的尺寸和几何形状），二级精细化网格单元定义为经过网格细化的一极平面单元（这些单元经过网格细化，其网格密度更高，能够更准确地捕捉局部细节，从而提供更精确的分析结果），过渡网格单元定义为位于未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元之间、且连接未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元的网格单元，过渡网格单元的主要作用是确保各个子区域边界之间的位移和应力协调；
针对二级精细化网格单元，采用如下步骤更改单元类型：
对轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有二级精细化网格单元进行遍历，并判断：
若当前二级精细化网格单元的对角线距离相等，则进行下一个二级精细化网格单元的判断；
若当前二级精细化网格单元的对角线距离不相等，则将当前二级精细化网格单元的单元类型更改为过渡单元；
由于精细化后的单元尺寸会小于一级平面单元，因此根据单元尺寸就可以区别出二级精细化单元和一级平面单元；
完成轨道板、自密实混凝土和底座板中所有二级精细化网格单元的遍历和单元类型更改，得到最终的二级精细化网格单元；
S8. 根据映射判别算法，对步骤S7得到的精细化单元进行遍历并导入步骤S2生成的随机骨料模型；具体包括如下步骤：
对于自密实混凝土而言，其为CRTS III板式无砟轨道较为薄弱的环节，本发明将对自密实混凝土细观随机骨料模型进行考虑，以便从材料细观的破坏角度阐述损伤演化机理。骨料形状为任意骨料形状，包括圆形骨料、多边形骨料、椭圆形骨料、以及任意骨料形状的组合；
导入随机骨料模型的步骤如下：
将步骤S2生成的随机骨料模型导入ANSYS软件；
根据骨料信息在自密实混凝土截面中的位置，将骨料、砂浆和界面映射到二级精细化网格单元中，并根据二级精细化网格单元的形心位置，进行二级精细化网格单元的判断：
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的界面单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域外部，则该二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在骨料区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；
具体实施时：
若骨料为圆形骨料，则：若则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元，若/>则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若/>则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；其中d为二级精细化网格单元的形心坐标到骨料圆心的距离，/>为界面半径大小，/>为骨料半径；
若骨料为椭圆骨料、多边形骨料或混合骨料，则：若二级精细化网格单元的形心坐标与界面边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若二级精细化网格单元的形心坐标与骨料边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元，否则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元；
S9. 对完成了步骤S8的模型重新添加接触关系，得到新的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件；具体包括如下步骤：
在轨道板和自密实混凝土之间添加接触关系：
若只有轨道板梁单元变换为一级平面单元，则在钢轨和轨道板一级平面单元之间添加竖向弹簧和纵向弹簧，同时在轨道板一级平面单元和自密实混凝土梁单元之间添加刚臂绑定连接；
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板梁单元和自密实混凝土一级平面单元间添加刚臂绑定连接；
若轨道板梁单元变换为一级平面单元且自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板一级平面单元和自密实混凝土一级平面单元间添加接触单元绑定连接；所述接触单元绑定连接为线线接触绑定连接；
在自密实混凝土和底座板之间添加接触关系：
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若只有底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土梁单元和底座板一级平面单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元且底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板一级平面单元之间添加线线接触单元，并为线线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
在底座板和路基之间添加接触关系：
底座板和路基的接触连接仅有一种；在底座板一级平面单元和地基梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
将添加了接触关系后的模型作为当前模型；
添加约束条件：
在钢轨两端添加全部约束；
在路基两端添加对称约束；
对所有梁单元的Z轴方向、X 轴方向添加转动自由度约束，并为Z轴方向添加垂直平面方向约束；
若未施加沉降载荷，则对路基添加全约束；若施加沉降载荷，则在沉降波长范围内施加竖向位移用于模拟沉降，并在沉降波长范围外的路基添加全约束；
S10. 重复步骤S4~S9，直至加载步满足设定的要求；
S11. 根据最终得到的无砟轨道的多尺度模型及对应的数据，进行后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析；
具体实施时，后处理具体包括如下步骤：
在所有荷载步计算完成后，从分步的模型就可以看出损伤演化的过程；其次，需要提取模型所需荷载步的结果文件进行后处理分析，所述后处理包含损伤、应力、应变、位移、弯矩等；
对于梁单元，获取梁单元的位移数据和弯矩数据；获取梁单元的截面对应栅点的应力值和应变值，以得到梁单元的顶部应力和应变值以及梁单元的底部应力和应变值；
对于一级平面单元，获取一级平面单元的位移、应力和应变数据；通过对应力进行积分获得弯矩数据；
采用获取的数据，进行后处理。
以下结合一个实施例，对本发明方法进行进一步说明：
在MATLAB中生成随机骨料模型，图2和图3为分别500*100尺寸为例，生成圆形骨料和椭圆形骨料；
确定无砟轨道各部件材料参数和尺寸参数，如表1所示：
表1 无砟轨道各部件材料参数和尺寸参数示意表
在ANSYS有限元软件中建立CRTS III型板式无砟轨道初始叠合梁模型，轨道板和自密实混凝土均取9块板、底座板取3块板进行研究。初始叠合梁模型如图4所示，导入各部件相应截面参数后加密截面网格如图5所示；
对初始模型施加分步的荷载，并为初始模型添加约束，采用ANSYS中非对称求解器进行求解。本实例考虑钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板的自重荷载、列车竖向荷载、列车纵向荷载、整体温降荷载、以及温度梯度荷载，荷载取值如表2所示：
表2组合荷载取值表
考虑总加载步数为10步，每一步加载的荷载是上述荷载的十分之一；
采用CRH380C动车组型号进行加载，列车荷载取1.5倍静轮载重。列车荷载简化如图6所示：沉降加载位置、列车荷载加载位置如图7所示；
然后，采用本发明方法进行无砟轨道多尺度损伤演变分析，经过全部加载后，得到最终的损伤演变分析结果；
对最终模型进行后处理，得到最终多尺度模型各部件的位移、应力、弯矩图，如图8~图16所示：图8为本发明方法实施例的损伤演变过程示意图，从图8可以看到本发明实施例的模型变换的过程以及多尺度模型的效果；图9为后处理后得到的竖向位移示意图，图10为后处理后得到的轨道板应力示意图，图11为后处理后得到的轨道板弯矩示意图，图12为后处理后得到的自密实混凝土顶部应力示意图，图13为后处理后得到的自密实混凝土底部应力示意图，图14为后处理后得到的自密实混凝土弯矩示意图，图15为后处理后得到的底座板应力示意图，图16为后处理后得到的底座板弯矩示意图；得到以上结果，用于力学特性分析。
通过本发明实施例可以看到，本发明方法能够较为完整的进行无砟轨道多尺度损伤演变分析，而且具有较好的精确性、可靠性和效率。
如图17所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明公开的这种实现所述无砟轨道多尺度损伤演变分析方法的系统，包括数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块、重复模块和损伤演变分析模块；数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块和重复模块依次串接，重复模块的输出端同时连接损伤演变分析模块和模型求解模块；数据获取模块用于获取目标无砟轨道的数据信息，并将数据信息上传骨料生成模块；骨料生成模块用于根据接收到的数据信息，根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型，并将数据信息上传初步模型/约束构建模块；初步模型/约束构建模块用于根据接收到的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件，并将数据信息上模型求解模块传；模型求解模块用于根据接收到的数据信息，在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解，并将数据信息上传损伤指标计算模块；损伤指标计算模块用于根据接收到的数据信息，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算，并将数据信息上传约束载荷删除模块；约束载荷删除模块用于根据接收到的数据信息，删除当前模型中的所有约束和载荷，并将数据信息上传转换模块；转换模块用于根据接收到的数据信息，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元，并将数据信息上传骨料导入模块；骨料导入模块用于根据接收到的数据信息，根据映射判别算法，对得到的精细化单元进行遍历并导入生成的随机骨料模型，并将数据信息上传约束载荷添加模块；约束载荷添加模块用于根据接收到的数据信息，对当前模型重新添加接触关系，得到新的无砟轨道的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件，并将数据信息上传重复模块；重复模块用于根据接收到的数据信息，控制模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块和约束载荷添加模块循环工作，直至加载步满足设定的要求，并将数据信息上传损伤演变分析模块；损伤演变分析模块用于根据接收到的数据信息，根据最终得到的无砟轨道多尺度模型及对应的数据，进行无砟轨道多尺度模型的后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。
Claims (7)
1.一种无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于包括如下步骤：
S1. 获取目标无砟轨道的数据信息；
S2. 根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型；具体包括如下步骤：
根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，采用瓦拉文公式计算出各集配段所含的骨料面积百分比；
基于蒙特卡洛法生成满足各级配骨料百分比含量的骨料模型；所述骨料模型包括圆形骨料模型、多边形骨料模型、椭圆骨料模型和混合骨料模型；
根据生成的骨料模型，对骨料模型的骨料信息进行保存；
S3. 根据获取的目标无砟轨道的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件；
S4. 在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解；
S5. 根据步骤S4得到的求解结果，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算；具体包括如下步骤：
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有梁单元进行遍历，并计算梁单元损伤指标：/>式中/>为梁单元的最大纵向拉应力；/>为混凝土标准抗拉强度；
记录梁单元损伤指标大于第一设定值的梁单元，并作为待变换梁单元；
根据步骤S4得到的求解结果，针对当前模型中的所有一级平面单元进行遍历，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元，计算一级平面单元损伤指标：式中/>为第一中间变量，且/>，/>为混凝土单轴抗拉强度代表值，/>为混凝土弹性模量，/>为混凝土峰值拉应变；x为第二中间变量，且，/>为混凝土应变；/>为混凝土受拉应力-应变曲线下降段的参数；
记录一级平面单元损伤指标大于第二设定值的一级平面单元，并作为待精细化一级平面单元；
S6. 删除当前模型中的所有约束和载荷；
S7. 根据步骤S5得到的损伤指标计算结果，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元；
S8. 根据映射判别算法，对步骤S7得到的精细化单元进行遍历并导入步骤S2生成的随机骨料模型；
S9. 对完成了步骤S8的模型重新添加接触关系，得到新的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件；
S10. 重复步骤S4~S9，直至加载步满足设定的要求；
S11. 根据最终得到的无砟轨道的多尺度模型及对应的数据，进行后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。
2.根据权利要求1所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于所述的步骤S3，具体包括如下步骤：
在ANSYS有限元软件中进行建模；
钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基均采用3D梁单元BEAM188进行模拟；
导入钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的对应截面参数，并加密截面网络；
钢轨和轨道板的竖向连接采用COMBIN14弹簧单元，钢轨和轨道板的纵向连接采用COMBIN39弹簧单元；
轨道板和自密实混凝土的梁单元之间，采用刚臂绑定连接；
自密实混凝土和底座板之间、底座板和路基单元之间，均采用接触单元进行连接；
设定钢轨、轨道板、自密实混凝土、底座板和路基的材料参数；所述材料参数包括弹性模量、泊松比、热膨胀系数和密度；
最后，设定初始约束条件。
3.根据权利要求2所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于所述的步骤S7，具体包括如下步骤：
采用如下步骤将对应的梁单元转换为一级平面单元：
获取待变换梁单元的数据信息；
将待变换的梁单元删除，同时删除用于连接该梁单元的弹簧单元或接触单元；
在删除的梁单元位置，建立二维平面单元，并赋予新建立的二维平面单元混凝土本构模型，并划分网格，从而得到转换后的一级平面单元；
采用如下步骤将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元：
对待精细化一级平面单元，进行网格细化；网格细化后，一级平面单元分为未细化的一级平面单元、二级精细化网格单元和过渡网格单元；未细化的一级平面单元定义为未被网格细化的一级平面单元，二级精细化网格单元定义为经过网格细化的一极平面单元，过渡网格单元定义为位于未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元之间、且连接未细化的一级平面单元和二级精细化网格单元的网格单元；
针对二级精细化网格单元，采用如下步骤更改单元类型：
对轨道板、自密实混凝土和底座板中的所有二级精细化网格单元进行遍历，并判断：
若当前二级精细化网格单元的对角线距离相等，则进行下一个二级精细化网格单元的判断；
若当前二级精细化网格单元的对角线距离不相等，则将当前二级精细化网格单元的单元类型更改为过渡单元；
完成轨道板、自密实混凝土和底座板中所有二级精细化网格单元的遍历和单元类型更改，得到最终的二级精细化网格单元。
4.根据权利要求3所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于所述的步骤S8，具体包括如下步骤：
将步骤S2生成的随机骨料模型导入ANSYS软件；
根据骨料信息在自密实混凝土截面中的位置，将骨料、砂浆和界面映射到二级精细化网格单元中，并根据二级精细化网格单元的形心位置，进行二级精细化网格单元的判断：
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的界面单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在界面区域外部，则该二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元；
若二级精细化网格单元的形心坐标落在骨料区域内部，则该二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；
具体实施时：
若骨料为圆形骨料，则：若则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元，若则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若/>则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元；其中d为二级精细化网格单元的形心坐标到骨料圆心的距离，/>为界面半径大小，/>为骨料半径；
若骨料为椭圆骨料、多边形骨料或混合骨料，则：若二级精细化网格单元的形心坐标与界面边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的界面单元，若二级精细化网格单元的形心坐标与骨料边界点叉积结果均为正值或均为负值则二级精细化网格单元为细观模型的骨料单元，否则二级精细化网格单元为细观模型的砂浆单元。
5.根据权利要求4所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于所述的步骤S9，具体包括如下步骤：
在轨道板和自密实混凝土之间添加接触关系：
若只有轨道板梁单元变换为一级平面单元，则在钢轨和轨道板一级平面单元之间添加竖向弹簧和纵向弹簧，同时在轨道板一级平面单元和自密实混凝土梁单元之间添加刚臂绑定连接；
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板梁单元和自密实混凝土一级平面单元间添加刚臂绑定连接；
若轨道板梁单元变换为一级平面单元且自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在轨道板一级平面单元和自密实混凝土一级平面单元间添加接触单元绑定连接；所述接触单元绑定连接为线线接触绑定连接；
在自密实混凝土和底座板之间添加接触关系：
若只有自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若只有底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土梁单元和底座板一级平面单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
若自密实混凝土梁单元变换为一级平面单元且底座板梁单元变换为一级平面单元，则在自密实混凝土一级平面单元和底座板一级平面单元之间添加线线接触单元，并为线线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
在底座板和路基之间添加接触关系：
在底座板一级平面单元和地基梁单元之间添加点线接触单元，并为点线接触单元设置相应的接触刚度和摩擦系数；
将添加了接触关系后的模型作为当前模型；
添加约束条件：
在钢轨两端添加全部约束；
在路基两端添加对称约束；
对所有梁单元的Z轴方向、X 轴方向添加转动自由度约束，并为Z轴方向添加垂直平面方向约束；
若未施加沉降载荷，则对路基添加全约束；若施加沉降载荷，则在沉降波长范围内施加竖向位移用于模拟沉降，并在沉降波长范围外的路基添加全约束。
6.根据权利要求5所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法，其特征在于步骤S11所述的后处理，具体包括如下步骤：
对于梁单元，获取梁单元的位移数据和弯矩数据；获取梁单元的截面对应栅点的应力值和应变值，以得到梁单元的顶部应力和应变值以及梁单元的底部应力和应变值；
对于一级平面单元，获取一级平面单元的位移、应力和应变数据；通过对应力进行积分获得弯矩数据；
采用获取的数据，进行后处理。
7.一种实现权利要求1~6中任意一项所述的无砟轨道多尺度损伤演变分析方法的系统，其特征在于包括数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块、重复模块和损伤演变分析模块；数据获取模块、骨料生成模块、初步模型/约束构建模块、模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块、约束载荷添加模块和重复模块依次串接，重复模块的输出端同时连接损伤演变分析模块和模型求解模块；数据获取模块用于获取目标无砟轨道的数据信息，并将数据信息上传骨料生成模块；骨料生成模块用于根据接收到的数据信息，根据目标无砟轨道中自密实混凝土的实际粒径集配曲线，生成随机骨料模型，并将数据信息上传初步模型/约束构建模块；初步模型/约束构建模块用于根据接收到的数据信息，建立无砟轨道的初始叠合梁模型作为当前模型，设定初始约束条件并作为当前约束条件，并将数据信息上模型求解模块传；模型求解模块用于根据接收到的数据信息，在当前约束条件下，对当前模型施加当前加载步的荷载，并进行求解，并将数据信息上传损伤指标计算模块；损伤指标计算模块用于根据接收到的数据信息，基于应力结果和抗拉强度对对应的梁单元进行梁单元损伤指标计算，基于混凝土的参数信息对对应的一级平面单元进行损伤指标计算，并将数据信息上传约束载荷删除模块；约束载荷删除模块用于根据接收到的数据信息，删除当前模型中的所有约束和载荷，并将数据信息上传转换模块；转换模块用于根据接收到的数据信息，将对应的梁单元转换为一级平面单元，并将对应的一级平面单元进行细化操作并得到对应的精细化单元，并将数据信息上传骨料导入模块；骨料导入模块用于根据接收到的数据信息，根据映射判别算法，对得到的精细化单元进行遍历并导入生成的随机骨料模型，并将数据信息上传约束载荷添加模块；约束载荷添加模块用于根据接收到的数据信息，对当前模型重新添加接触关系，得到新的无砟轨道的多尺度模型并作为当前模型，同时设定新的约束条件作为当前约束条件，并将数据信息上传重复模块；重复模块用于根据接收到的数据信息，控制模型求解模块、损伤指标计算模块、约束载荷删除模块、转换模块、骨料导入模块和约束载荷添加模块循环工作，直至加载步满足设定的要求，并将数据信息上传损伤演变分析模块；损伤演变分析模块用于根据接收到的数据信息，根据最终得到的无砟轨道多尺度模型及对应的数据，进行无砟轨道多尺度模型的后处理分析，完成目标无砟轨道的多尺度损伤演变分析。
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