一種多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安定性分析的三維有限元驗證方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鐵路工程計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多層鐵路路基結(jié)構(gòu) 安定性分析的三維有限元驗證方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路具有速度快，運(yùn)輸量大等特點，因此鐵路運(yùn)輸在現(xiàn)代運(yùn)輸中所占的比例越來 越高。當(dāng)前，鐵路路面分析方法和設(shè)計理論大多數(shù)都是以彈性理論和經(jīng)驗方法為基礎(chǔ)。而 實際上，在車輛荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為塑性變形。這就使以彈性理論為基礎(chǔ)的鐵 路路面材料的強(qiáng)度和變形特性得不到正確的反映。因此，采用更加合理的彈塑性理論方法 分析和考慮鐵路在移動循環(huán)荷載作用下的變形破壞特征是目前鐵路研究的一個重要方向。 [0003] 安定理論是考慮彈塑性結(jié)果在循環(huán)荷載作用下變形和破壞特性的一個基本理論， 它最早被應(yīng)用于金屬體在荷載和溫度場共同作用下的塑性變形特性研究領(lǐng)域。將安定理論 引入到路面結(jié)構(gòu)的研究中已經(jīng)取得了顯著的成果。然而，由于計算路面結(jié)構(gòu)在移動作用下 的自平衡殘余應(yīng)力場的復(fù)雜性，在理論分析中通常對結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行一定的簡化，如理想彈 塑性材料、小變形理論、忽略與時間相關(guān)的因素（如速度敏感性、蠕變等）等，因此理論計算 所得的安定極限荷載不一定能使結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)，進(jìn)而對將安定性分析理論應(yīng)用于鐵路 路面結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計中起到了限制性作用。根據(jù)安定理論的定義，本發(fā)明采用ABAQUS有 限元軟件建立完整的三維有限元模型，通過分析循環(huán)動荷載作用下結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和殘余 應(yīng)變場隨循環(huán)次數(shù)的作用規(guī)律，判斷在施加安定理論計算所得的動循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)是 否處于安定狀態(tài)，將對安定理論應(yīng)用于鐵路路面設(shè)計研究產(chǎn)生了積極的推動作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對現(xiàn)有研究的不足，提供了一種多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安定性分 析的三維有限元驗證方法。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安定性分析的三維有限元驗證方 法。其特征在于，該方法采用ABAQUS有限元軟件，在軌道表面施加大小等于安定理論計算 的多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安定極限的動循環(huán)荷載，通過分析結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力場隨荷載循環(huán)次數(shù)的 關(guān)系，驗證在該荷載作用下鐵路結(jié)構(gòu)是否處于安定狀態(tài)。具體包括以下步驟：
[0006] (1)結(jié)構(gòu)簡化：根據(jù)鐵路路面路基結(jié)構(gòu)設(shè)計施工的CAD圖紙，忽略對結(jié)構(gòu)影響較小 的構(gòu)件，把鐵路路面路基結(jié)構(gòu)簡化為由軌道、軌下墊板、軌枕、基床表層、基床底層和路堤組 成的簡化結(jié)構(gòu)，并提取這些結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和各種材料的材料參數(shù)；
[0007] (2)建立有限元模型：根據(jù)已提取的軌道、軌下墊板、軌枕、基床表層、基床底層和 路堤的厚度，長度和寬度等幾何尺寸建立包含軌道、軌下墊板、軌枕、基床表層、基床底層和 路堤的完整的三維有限元模型。為充分考慮結(jié)構(gòu)的邊界條件，減小所施加的荷載對計算結(jié) 構(gòu)的影響，鐵路路基結(jié)構(gòu)模擬為半徑為2r的半無限空間結(jié)構(gòu)，并將外層厚度為r的路基結(jié) 構(gòu)模擬為無限元單元。
[0008] (3)賦予材料參數(shù)和單元屬性：軌道和軌枕采用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，基床表層、 基床底層和路堤采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，軌下墊板采用具有一定剛度系數(shù)k p和阻尼 系數(shù)Cp的彈簧/阻尼單元，并輸入由（1)所得的材料參數(shù)。軌道、軌枕和模型中心區(qū)域的基 床表層、基床底層、路堤采用8節(jié)點1次減縮實體單元（C3D8R)模擬，外層區(qū)域的基床表層、 基床底層、路堤采用三維無限元實體單元（CIN3D8)模擬。網(wǎng)格劃分前應(yīng)以劃分均勻合格的 有限元網(wǎng)格為準(zhǔn)則對幾何模型進(jìn)行整理，并進(jìn)行網(wǎng)格尺寸敏感性分析，以確定同時滿足計 算精度和計算效率的最優(yōu)網(wǎng)格劃分方式。
[0009] (4)設(shè)置所建立模型的邊界條件：根據(jù)鐵路路面實際情況，約束軌道、軌枕、基床 表層、基床底層和路堤的水平位移，模型的底部進(jìn)行固定約束（采用無限單元模擬的區(qū)域 無需定義邊界條件）。
[0010] (5)施加外荷載：將安定理論計算所得到安定極限荷載λ sd P。作為三維HertZ荷 載的最大壓應(yīng)力，通過DLOAD子程序循環(huán)施加于軌道表面，模擬循環(huán)荷載作用。
[0011] (6)運(yùn)算模型，分析計算得到的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與殘余應(yīng)變的分布，判斷在安定極限 荷載作用下結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入安定狀態(tài)，若殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變經(jīng)過有限次的循環(huán)荷載次數(shù)作 用而趨于穩(wěn)定，則結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)；反之，結(jié)構(gòu)不安定。
[0012] 有益效果：由于安定極限的理論分析方法存在一定的假設(shè)條件，因此不能保證所 得的結(jié)果是否能使結(jié)構(gòu)處于安定狀態(tài)。本發(fā)明基于ABAQUS有限元軟件，將理論計算得到的 安定極限荷載作為動循環(huán)荷載施加于軌道表面，進(jìn)而通過分析在多次循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu) 中殘余應(yīng)力場合殘余應(yīng)變場的分布規(guī)律及發(fā)展變化。驗證在該荷載作用下鐵路結(jié)構(gòu)是否處 于安定狀態(tài)。本發(fā)明在建模中將鐵路路面路基簡化為由軌道、軌下墊板、軌枕、基床表層、基 床底層和路堤組成的簡化結(jié)構(gòu)，并提取其幾何參數(shù)，建立ABAQUS有限元模型，利用DLOAD子 程序模擬Hertz荷載的循環(huán)作用，從而得到鐵路路面路基結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力和應(yīng)變場。該發(fā) 明模擬了三維鐵路路面路基的完整結(jié)構(gòu)，采用了無限元單元模擬了路基的實際半無限空間 特性，不僅能較為真實的反應(yīng)路面結(jié)構(gòu)的彈塑性變形特性，而且能夠給出較為準(zhǔn)確的路面 結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力場，對所需結(jié)果的后處理比較方便，較易在鐵路路面結(jié)構(gòu)的安定 性設(shè)計和計算分析中推廣使用。
【附圖說明】：
[0013] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明建模方法具體的幾何模型和網(wǎng)格劃分示意圖；
[0015] 圖3為軌道、軌下墊層和軌枕細(xì)部網(wǎng)格劃分圖；
[0016] 圖4為三維Hertz荷載示意圖；
[0017] 圖5為當(dāng)λ sd p。= 755MPa時鐵路路基結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布與動循環(huán)荷載作用次 數(shù)的關(guān)系；
[0018] 圖6為λ sd p。= 770MPa時鐵路路基結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布與動循環(huán)荷載作用次數(shù) 的關(guān)系；
[0019] 圖7為當(dāng)λ sd p。= 755MPa時鐵路路基結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)變分布與動循環(huán)荷載作用次 數(shù)的關(guān)系；
[0020] 圖8為λ sd p。= 770MPa時鐵路路基結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)變分布與動循環(huán)荷載作用次數(shù) 的關(guān)系；
[0021] 圖中，1為軌道、2為軌枕、3為采用彈簧/阻尼單元模擬的軌下墊層、4為采用 CIN3D8單元模擬的基床表層、5為采用CIN3D8單元模擬的基床底層、6為采用CIN3D8單元 模擬的路堤、7為采用C3D8R單元模擬的基床表層、8為采用C3D8R單元模擬的基床底層、9 為采用C3D8R單元模擬的路堤。
【具體實施方式】
[0022] 以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅僅局限 于本實施方式的描述。
[0023] -種多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安定性分析的三維有限元驗證方法，其特征在于，該方法 采用ABAQUS有限元軟件，在軌道表面施加大小等于安定理論計算的多層鐵路路基結(jié)構(gòu)安 定極限的動循環(huán)荷載，通過分析結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力場隨荷載循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，驗證在該荷載作 用下鐵路結(jié)構(gòu)是否處于安定狀態(tài)。如圖1所示，具體包括以下步驟：
[0024] (1)結(jié)構(gòu)簡化：根據(jù)鐵路路面層設(shè)計施工的CAD圖紙，忽略對結(jié)構(gòu)影響較小的構(gòu) 件，將鐵路路面簡化為由軌道1、軌枕2、軌下墊層3、基床表層4和7、基床底層5和8、路堤6 和9組成的簡化結(jié)構(gòu)，并提取這些結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)（表1)和各種材料的材料參