重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法，其特征在于，該方法包括：基于有限元理論對重載鐵路道岔進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型；以及建立動(dòng)力學(xué)分析模型以對車輛-重載道岔耦合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，其中所述動(dòng)力學(xué)分析模型包括：貨車模型、重載鐵路道岔模型以及輪軌接觸模型。通過上述技術(shù)方案，建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型以及動(dòng)力學(xué)分析模型，能夠?yàn)橹剌d鐵路道岔設(shè)計(jì)和分析提供具有較高仿真度的模型，利用本發(fā)明提供的方案建立的模型可以設(shè)計(jì)出完全滿足使用要求的重載鐵路道岔。
【專利說明】重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鐵道工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體地，涉及一種重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軸重大、密度高、運(yùn)量大是我國重載鐵路運(yùn)輸?shù)摹叭筇卣鳌?。道岔結(jié)構(gòu)本身就屬于軌道系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)之一，在這種極其嚴(yán)峻的運(yùn)輸條件下，重載道岔不同部位(包括岔前基本軌、尖軌，固定轍叉翼軌及心軌，可動(dòng)心軌轍叉翼軌、心軌，鋼軌接頭等)的磨損和傷損(垂磨、側(cè)磨、壓潰、掉塊等)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通線路道岔。如大秦鐵路所采用的可動(dòng)心軌道岔，設(shè)計(jì)使用壽命預(yù)計(jì)為通過總重500?800Mt，而在實(shí)際使用中，可動(dòng)心軌轍叉的使用壽命僅達(dá)至IJ150?250Mt后就出現(xiàn)了較為明顯的磨耗及傷損，需對進(jìn)行部件更換甚至換鋪。朔黃鐵路75kg/m鋼軌可動(dòng)心軌道岔在使用初期也出現(xiàn)過尖軌處軌枕空吊、尖軌及心軌處軌距難以保持、尖軌及可動(dòng)心軌不密貼等問題。因此，需要更加完善的重載鐵路道岔設(shè)計(jì)和分析方法。
[0003]近年來，國內(nèi)有學(xué)者對重載鐵路道岔的受力和變形的計(jì)算理論開展了一些研究工作。他們中或者是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出了一些工程改良措施，或是通過各種有限元軟件根據(jù)自己假設(shè)的特定條件建立有限元模型模擬仿真列車-重載道岔間相互動(dòng)力作用從而提出了重載鐵路道岔病害發(fā)生機(jī)理。從鐵道工程方面針對重載鐵路道岔相關(guān)病害的發(fā)生機(jī)理及解決方案尚未提出客觀、明確地見解，缺乏系統(tǒng)的研究。國外的研究中，多數(shù)是對城市列車-道岔、普通列車-道岔和高速鐵路道岔系統(tǒng)進(jìn)行的系統(tǒng)研究。對重載鐵路道岔設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化方法的研究較少，缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中尚無一種方法能夠?qū)χ剌d鐵路道岔進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)與檢算，難以實(shí)現(xiàn)對重載鐵路道岔的設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修，此問題亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法能夠建立能夠準(zhǔn)確反映重載鐵路道岔靜、動(dòng)力學(xué)特性的模型。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法，其特征在于，該方法包括:基于有限元理論對重載鐵路道岔進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型；以及建立動(dòng)力學(xué)分析模型以對車輛-重載道岔耦合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，其中所述動(dòng)力學(xué)分析模型包括:貨車模型、重載鐵路道岔模型以及輪軌接觸模型。
[0007]可選地，所述對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬包括:采用實(shí)體單元模擬所述鋼軌，以及對于所述鋼軌中結(jié)構(gòu)受力變形敏感部位進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分；采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度；采用實(shí)體單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度；采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。
[0008]可選地，所述建立所述貨車模型，包括:對貨車進(jìn)行模型化，將貨車的車體、轉(zhuǎn)向架以及輪對設(shè)為剛體。
[0009]可選地，所述建立所述貨車模型，還包括:根據(jù)各個(gè)剛體的自由度和基本幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)出車體、轉(zhuǎn)向架及輪對的運(yùn)動(dòng)方程，以及聯(lián)立所推導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)方程得到整車運(yùn)動(dòng)方程組。
[0010]可選地，所述建立所述重載鐵路道岔模型，包括:將所述鋼軌設(shè)為橫向和垂向的彈性墊支撐梁，然后按照所述扣件的間距將所述鋼軌劃分為梁單元；采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度；采用梁單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度；采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。
[0011]可選地，所述采用梁單元模擬軌枕的步驟還包括:按照最小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分所述梁單元。
[0012]可選地，所述建立所述輪軌接觸模型，包括:基于赫茲彈性接觸理論確定所述輪軌的垂向接觸力；以及基于Kalker線性理論決定由蠕滑產(chǎn)生的輪軌接觸力，以及利用沈氏理論進(jìn)行非線性修正。
[0013]通過上述技術(shù)方案，建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型以及動(dòng)力學(xué)分析模型，能夠?yàn)橹剌d鐵路道岔設(shè)計(jì)和分析提供具有較高仿真度的模型，利用本發(fā)明提供的方案建立的模型可以設(shè)計(jì)出完全滿足使用要求的重載鐵路道岔。
[0014]本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0016]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法流程圖；
[0017]圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的護(hù)軌模型圖示；
[0018]圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的尖軌模型圖示；
[0019]圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的合金鋼拼裝轍叉模型圖示；
[0020]圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的車輛計(jì)算模型圖示；
[0021]圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的重載道岔計(jì)算模型圖示；
[0022]圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的程序流程圖圖示；
[0023]圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的轍叉區(qū)心軌及翼軌計(jì)算工況圖示；
[0024]圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的轍叉區(qū)護(hù)軌計(jì)算工況圖示；
[0025]圖10為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌加載處Von Mises應(yīng)力圖示；
[0026]圖11為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌橫向位移圖示；
[0027]圖12為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌垂向位移圖示；
[0028]圖13為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌加載處Von Mises應(yīng)力圖示；[0029]圖14為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌橫向位移圖示；
[0030]圖15為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌垂向位移圖示；
[0031]圖16為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的翼軌加載處Von Mises應(yīng)力圖示；
[0032]圖17為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的翼軌橫向位移圖示；
[0033]圖18為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的翼軌垂向位移圖示；
[0034]圖19為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的翼軌加載處Von Mises應(yīng)力圖示；
[0035]圖20為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的翼軌垂向位移圖示；
[0036]圖21為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的護(hù)軌加載處Von Mises應(yīng)力圖示；
[0037]圖22為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的護(hù)軌橫向位移圖示；
[0038]圖23為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的不同速度下最大輪軌垂向力圖示；
[0039]圖24為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的不同速度下最大輪軌橫向力圖示；
[0040]圖25為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的岔區(qū)外鋼軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0041]圖26為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的尖軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0042]圖27為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0043]圖28為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的岔區(qū)外鋼軌不同速度下最大加速度圖示；
[0044]圖29為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的尖軌鋼軌不同速度下最大加速度圖示；
[0045]圖30為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌鋼軌不同速度下最大加速度圖示；
[0046]圖31為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的不同速度下最大輪軌垂向力圖示；
[0047]圖32為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的不同速度下最大輪軌橫向力圖示；
[0048]圖33為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的岔區(qū)外鋼軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0049]圖34為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的尖軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0050]圖35為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌不同速度下最大垂向位移圖示；
[0051]圖36為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的岔區(qū)外鋼軌不同速度下最大加速度圖示；
[0052]圖37為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的尖軌鋼軌不同速度下最大加速度圖示；
[0053]圖38為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的心軌鋼軌不同速度下最大加速度圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0054]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0055]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法流程圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施方式提供的重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法包括:S102，基于有限元理論對重載鐵路道岔進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型；以及S104，建立動(dòng)力學(xué)分析模型以對車輛-重載道岔耦合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，其中所述動(dòng)力學(xué)分析模型包括:貨車模型、重載鐵路道岔模型以及輪軌接觸模型。
[0056]通過上述技術(shù)方案，建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型以及動(dòng)力學(xué)分析模型，能夠?yàn)橹剌d鐵路道岔設(shè)計(jì)和分析提供具有較高仿真度的模型，利用本發(fā)明提供的方案建立的模型可以設(shè)計(jì)出完全滿足使用要求的重載鐵路道岔。
[0057]在實(shí)施方式中，所述對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬可以包括:采用實(shí)體單元模擬所述鋼軌，以及對于所述鋼軌中結(jié)構(gòu)受力變形敏感部位進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分；采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度；采用實(shí)體單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度；采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。具體說明如下。
[0058]基于有限元理論的重載鐵路道岔準(zhǔn)靜態(tài)分析對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬可以包括:
[0059]對鋼軌采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，能夠精確反映轉(zhuǎn)轍器區(qū)尖軌、基本軌和轍叉區(qū)心軌、翼軌及護(hù)軌的復(fù)雜形狀和截面變化；而對于結(jié)構(gòu)受力變形敏感部位通過細(xì)化網(wǎng)格劃分，則可以精確計(jì)算鋼軌自身的變形和應(yīng)力分布。模擬出的護(hù)軌、尖軌、轍叉模型可以如圖2至圖4所示。
[0060]對扣件采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，可全面考慮扣件的縱、橫向阻力和垂向剛度，扣件縱、橫向阻力可按常量或變量形式輸入，扣件垂向剛度取扣件的支點(diǎn)剛度。在軌底扣件范圍內(nèi)通過均布彈簧單元模擬扣件作用，以盡可能更接近實(shí)際情況。
[0061]對于軌枕采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，可以充分考慮岔枕長度的變化以及復(fù)雜形狀，可以精確計(jì)算軌枕自身變形及應(yīng)力分布。
[0062]對道床的縱橫向阻力采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，阻力值可以取單位岔枕長度的阻力，可按常量或變量形式輸入；對道床垂向剛度可以用垂向彈簧模擬，其值可以取道床支承剛度。
[0063]限位器結(jié)構(gòu)子母塊為非絕對剛性構(gòu)件，隨著相對位移的不同，其阻力也是非線性的，故對尖軌跟端限位器結(jié)構(gòu)可以采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，限位器阻力值采用相關(guān)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)；在計(jì)算尖軌橫向變形時(shí)，可以考慮限位器子母塊在軌溫變化時(shí)實(shí)際接觸位置的最不利影響。翼軌末端以及轍岔跟端通過間隔鐵結(jié)構(gòu)固定，間隔鐵結(jié)構(gòu)采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，間隔鐵阻力值采用相關(guān)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)。
[0064]通過對以上各部件的模擬，可以建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型。
[0065]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述建立所述貨車模型，可以包括:對貨車進(jìn)行模型化，將貨車的車體、轉(zhuǎn)向架以及輪對設(shè)為剛體。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述建立所述貨車模型，還可以包括:根據(jù)各個(gè)剛體的自由度和基本幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)出車體、轉(zhuǎn)向架及輪對的運(yùn)動(dòng)方程，以及聯(lián)立所推導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)方程得到整車運(yùn)動(dòng)方程組。
[0066]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述建立所述重載鐵路道岔模型，可以包括:將所述鋼軌設(shè)為橫向和垂向的彈性墊支撐梁，然后按照所述扣件的間距將所述鋼軌劃分為梁單元；采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度；采用梁單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度；采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。
[0067]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述采用梁單元模擬軌枕的步驟可以包括:按照最小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分所述梁單元。
[0068]在一個(gè)實(shí)施方式中，所述建立所述輪軌接觸模型，可以包括:基于赫茲彈性接觸理論確定所述輪軌的垂向接觸力；以及基于Kalker (卡爾克)線性理論決定由蠕滑產(chǎn)生的輪軌接觸力，以及利用沈氏理論進(jìn)行非線性修正。
[0069]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，可以基于自編程序建立動(dòng)力學(xué)分析模型以對車輛-重載道岔耦合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算。在這樣的實(shí)施方式中，可以利用FOrtran90自行編制仿真計(jì)算程序，建立車輛-重載道岔耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析模型，綜合考慮車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、鋼軌、軌枕等結(jié)構(gòu)的參振及耦合作用，此外還需考慮尖軌、心軌截面的實(shí)際變化、限位器的安裝誤差等多種實(shí)際情況。
[0070]在本實(shí)施方式中，輪軌系統(tǒng)可以以輪軌接觸連接車輛、軌道結(jié)構(gòu)，從而形成耦合振動(dòng)系統(tǒng)。基于重載道岔的受力的特點(diǎn)，綜合利用車輛動(dòng)力學(xué)原理、輪軌相互作用原理，可以建立重載車輛——重載道岔耦合動(dòng)力分析模型，包括車輛模型、輪軌關(guān)系模型、鋼軌模型、軌下基礎(chǔ)等模型，綜合考慮了車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、鋼軌、軌枕等結(jié)構(gòu)的參振問題?；趶V義能量變分原理，利用有限元理論，建立了重載鐵路道岔系統(tǒng)空間耦合動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程組，在此基礎(chǔ)上，可以采用Newmark (紐馬克)方法,利用Fortran90自行編制仿真計(jì)算程序?qū)︸詈舷到y(tǒng)的振動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算。具體如下:
[0071](I)貨車模型。根據(jù)重載鐵路貨車結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮其結(jié)構(gòu)形式及懸掛特性，對貨車進(jìn)行模型化處理，將車體、轉(zhuǎn)向架(側(cè)架與搖枕)、輪對視為剛體。車體和輪對包括沉浮、點(diǎn)頭、橫移、側(cè)滾和搖頭5個(gè)自由度,傳統(tǒng)三大件轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)側(cè)架包括縱向、橫移和搖頭運(yùn)動(dòng)以及搖枕的搖頭運(yùn)動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)形式均視為與車體的剛性連接。根據(jù)各個(gè)剛體的自由度和基本幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，可推導(dǎo)出車體、轉(zhuǎn)向架和輪對的運(yùn)動(dòng)方程，聯(lián)立即為整車的運(yùn)動(dòng)方程組。所模擬的車輛模型如圖5所示。
[0072](2)重載鐵路道岔模型。將鋼軌按照扣件間距劃分單元。左右兩股鋼軌均視為橫向和垂向的彈性點(diǎn)支撐梁，每個(gè)鋼軌節(jié)點(diǎn)有4個(gè)自由度。鋼軌垂向可以采用Euler (歐拉)梁模型。取梁單元的垂向位移和相應(yīng)轉(zhuǎn)角作為未知量。鋼軌的橫向處理方式與垂向一致，只是抗彎慣性矩等參數(shù)略有不同。根據(jù)能量原理，可以推導(dǎo)出鋼軌梁單元?jiǎng)偠染仃嚒?br> [0073]道岔區(qū)的扣件可以采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，可全面考慮扣件的縱、橫向阻力和垂向剛度，縱、橫向扣件彈簧作用于鋼軌支承節(jié)點(diǎn)上，扣件縱、橫向阻力可按常量或變量形式輸入，扣件垂向剛度取扣件的支點(diǎn)剛度。
[0074]軌枕采用梁單元進(jìn)行模擬，考慮軌枕的截面積、高度以及慣性矩等實(shí)際參數(shù)，軌枕按照較小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分單元，全面考慮縱、橫、垂向線位移及轉(zhuǎn)角。道床的縱橫向阻力采用非線性彈簧單元進(jìn)行模擬，阻力值取單位岔枕長度的阻力，可按常量或變量形式輸入；道床垂向剛度用垂向彈簧模擬，其值取道床支承剛度。
[0075]限位器和間隔鐵結(jié)構(gòu)在模型中采用非線性彈簧模擬，限位器阻力值根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)按照實(shí)測值進(jìn)行選取。
[0076]重載道岔計(jì)算模型如圖6所示。
[0077](3)輪軌接觸模型。輪軌垂向接觸力由赫茲線彈性接觸理論所確定。輪軌間的彈性壓縮量包括車輪靜壓量在內(nèi)，可以由輪軌接觸點(diǎn)處的輪軌位移直接確定。根據(jù)Kalker線性理論，可得到由蠕滑而產(chǎn)生的輪軌接觸力，包括左右輪受到的縱向、橫向蠕滑力及自旋蠕滑力矩?？紤]到Kalker線性蠕滑理論只適用于小蠕滑率和小自旋的情形，對于大蠕滑、大自旋甚至完全滑動(dòng)的情形，蠕滑力的線性關(guān)系被打破。因此，可以用沈氏理論作非線性修正，從而適應(yīng)輪軌相互作用實(shí)際工況仿真計(jì)算。
[0078]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作更進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例中所涉及的內(nèi)容。實(shí)施例中采用本發(fā)明實(shí)施方式的重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法構(gòu)建的模型進(jìn)行計(jì)算。
[0079]實(shí)施例1:
[0080]本實(shí)施例以重載鐵路合金鋼拼裝轍叉12號(hào)道岔為例，對薄弱部位進(jìn)行分析計(jì)算。線路最大運(yùn)營軸重取30t，對應(yīng)的靜輪載為150kN。根據(jù)《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》車速IOOkm/h時(shí)動(dòng)載系數(shù)為1.4，考慮最不利情況，選取2倍靜輪載作為準(zhǔn)靜態(tài)荷載，以300kN的垂向力和85kN的橫向力作為強(qiáng)度極限荷載。計(jì)算工況如表1所示。
[0081]表1極限荷載工況
[0082]
【權(quán)利要求】
1.一種重載鐵路道岔靜動(dòng)力設(shè)計(jì)模型構(gòu)建方法，其特征在于，該方法包括: 基于有限元理論對重載鐵路道岔進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)分析，對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，以建立重載鐵路無縫道岔空間耦合實(shí)體分析模型；以及 建立動(dòng)力學(xué)分析模型以對車輛-重載道岔耦合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，其中所述動(dòng)力學(xué)分析模型包括:貨車模型、重載鐵路道岔模型以及輪軌接觸模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述對鋼軌、扣件、軌枕、道床、限位器結(jié)構(gòu)以及間隔鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬包括: 采用實(shí)體單元模擬所述鋼軌，以及對于所述鋼軌中結(jié)構(gòu)受力變形敏感部位進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分； 采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度； 采用實(shí)體單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度； 采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及 采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述貨車模型，包括: 對貨車進(jìn)行模型化，將貨車的車體、轉(zhuǎn)向架以及輪對設(shè)為剛體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述建立所述貨車模型，還包括: 根據(jù)各個(gè)剛體的自由度和基本幾何參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，推導(dǎo)出車體、轉(zhuǎn)向架及輪對的運(yùn)動(dòng)方程，以及聯(lián)立所推導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)方程得到整車運(yùn)動(dòng)方程組。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述重載鐵路道岔模型，包括: 將所述鋼軌設(shè)為橫向和垂向的彈性墊支撐梁，然后按照所述扣件的間距將所述鋼軌劃分為梁單元； 采用非線性彈簧單元模擬所述扣件，其中所述扣件的垂向剛度為所述扣件的支點(diǎn)剛度； 采用梁單元模擬軌枕，使用所述軌枕的實(shí)際參數(shù)包括:截面積、高度以及慣性轉(zhuǎn)矩；采用非線性彈簧單元模擬所述道床的縱橫向阻力，以及采用垂向彈簧模擬所述道床的垂向剛度； 采用非線性彈簧單元模擬所述限位器結(jié)構(gòu)；以及 采用非線性彈簧單元模擬所述間隔鐵結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述采用梁單元模擬軌枕的步驟還包括: 按照最小間距的支承節(jié)點(diǎn)劃分所述梁單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立所述輪軌接觸模型，包括: 基于赫茲彈性接觸理論確定所述輪軌的垂向接觸力；以及 基于Kalker線性理論決定由蠕滑產(chǎn)生的輪軌接觸力，以及利用沈氏理論進(jìn)行非線性修正。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103853876SQ201310683776
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】常曉東, 韓治平, 高亮, 肖宏, 蔡小培 申請人:中國神華能源股份有限公司, 中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司, 北京交通大學(xué)