CN101719183A - 一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟*** - Google Patents
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Abstract
一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其基于有限元理论建立轨道结构和各部件的模型，高度仿真室内试验和现场试验条件；通过更换和组合不同类型的部件，模拟各种加载条件下轨道关键部件和轨道整体结构的受力与变形等情况，并对得到的模拟试验数据加以整理和分析，生成形象的动画进行演示。本发明通过构建友好的人机交互平台模拟轨道结构及部件的室内试验和现场试验，解决实际试验中存在的试验设备和试验部件造价高昂、试验过程较为复杂繁琐、且易受外界环境影响、需要的试验经费和人力投资巨大等问题。基于本发明的模拟***可为高速铁路和城市轨道交通的相关科研及教学提供经济、快捷、生动的仿真试验和演示平台。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，属于铁道工程结构试验模拟***领域。
背景技术
随着我国路网干线的全面提速，高速铁路、客运专线、重载运输和城市轨道交通的发展，轨道结构作为铁路或地铁行车的重要基础设施，面临着高(快)速和重载等诸多技术难题。为保证高速铁路和客运专线的高平顺性和高舒适性、延长重载铁路轨道结构部件的使用寿命、实现城市轨道交通的减振降噪，我国轨道交通积极引入和自主创新了轨道结构及部件，解决了轨道工程建设中一些关键技术难题，取得了显著的社会效益和经济效益，如无砟轨道的大面积推广和铺设、减振扣件和高速道岔的应用等，为高速、重载铁路和城市轨道交通提供了有力的技术支撑。
在轨道结构及部件研发项目中，轨道结构试验对轨道结构的开发设计、施工、试运营和养护维修提供了重要的技术标准和参考依据，是轨道结构的研究过程中必不可少的一环，占有非常重要的地位。借鉴国外轨道结构及部件较成熟的技术与研究发展模式，轨道结构及部件的开发与设计首先需要进行大量的室内试验和现场试验，在满足一定的技术标准后，才能在现场推广和应用。无论是室内试验还是现场试验均需要昂贵的试验设备和试验部件，试验过程也相当复杂与繁琐，而且受到外界环境影响较大，需要付出大量的科研经费和人力资源，最终增加工程建设的投资。
高速铁路及城市轨道交通轨道结构及部件的研究与应用，要求一种能够节省科研经费投入，并具有较高试验灵活度的轨道结构及部件试验模拟***。目前国内外尚没有此种试验模拟***，本发明填补了这一空白，可以应用于工程试验与科研之中，并且可以为相关教学提供经济、快捷、生动的仿真试验和演示平台。
发明内容
为了克服现有轨道结构试验技术的不足，本发明提供一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其通过构建友好的人机交互平台，基于有限元理论建立轨道结构和各部件的模型，高度仿真室内试验和现场试验条件；并通过更换和组合不同类型的部件，模拟各种加载条件下轨道关键部件和轨道整体结构的受力与变形等情况，对得到的模拟试验数据加以整理和分析，生成形象的动画进行演示。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其包括：
(1)试验模拟平台模块，其是一个人机交互***平台，用户在进入该模块后，选择不同的轨道结构及部件进行各种动力或静力试验；
(2)轨道结构及部件试验仿真模型构建模块，本模块是试验模拟***的核心部分，其包括：关键部件模拟单元，其负责进行轨道结构关键部件的模拟；和整体性能模拟单元，其负责进行轨道结构整体性能的模拟；以及，
(3)数据采集和分析处理模块，本模块实现对模型试验数据的采集和分析功能，实现数据的保存与输出，对试验数据进行相应的统计分析；
各模块之间的连接关系如下：
用户通过所述试验模拟平台对所述轨道结构及部件试验仿真模型进行组装，从而构建所述轨道结构及部件试验仿真模型构建模块；对所述轨道结构及部件试验仿真模型加以不同类型的荷载和轨道不平顺激励，并采用有限元方法进行轨道力学特性的仿真试验，并将所述仿真试验数据发送给所述数据采集和分析处理模块进行统计分析和处理，并保存和输出处理结果。
本发明的技术方案进一步还包括：
在试验过程中，用户通过所述试验模拟平台模块对各种类型的部件进行组装，并加以不同类型的荷载和轨道不平顺激励，进行不同条件、不同工况下的轨道试验。
所述轨道结构及部件试验仿真模型构建模块利用有限元分析软件建立轨道结构及其部件的有限元模型，所述轨道结构及其部件包括：钢轨、轨枕、扣件和无砟轨道板。
所述关键部件模拟单元包括：钢轨结构模拟子模块、扣件结构模拟子模块、轨枕结构模拟子模块和其它结构模拟子模块；所述整体性能模拟单元包括：轨道落轴试验子模块、无砟轨道测试子模块、无缝线路测试子模块和轨道动态测试子模块；其中，各个子模块之间连接关系如下：
根据用户选择指示，利用所授予有限元分析软件中的开发语言创建接口，将所述关键部件模拟单元中的钢轨结构模拟子模块、扣件结构模拟子模块、轨枕结构模拟子模块和其它结构模拟子模块连接起来；并进行所述轨道落轴试验子模块、无砟轨道测试子模块、无缝线路测试子模块和轨道动态测试子模块的轨道结构组装及模拟测试。
在所述轨道结构及部件上设置扩展试验的接口，便于将来优化和完善***功能。
利用动画制作软件制作试验过程和试验结果的演示动画，呈现整个试验的过程，为相关教学和科研提供生动的动画展示。
本发明还可以利用动画制作软件制作试验过程和试验结果的演示动画，呈现整个试验的过程，为相关教学和科研提供生动的动画展示。
本发明的有益效果：本发明在轨道结构的室内和现场试验研究的基础上，设计和开发一套能够模拟轨道结构及部件的动力和静力试验的数字***，为高速、重载铁路和城市轨道交通的相关科研及教学提供经济、快捷、生动的仿真试验和演示平台。本发明的结构框图如图1所示。
附图说明
图1为根据本发明的高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***结构框图；
图2为根据本发明的轨道板模型示意图；
图3为根据本发明的轨道板上表面温度比下表面高5℃的纵向应力云图；
图4为根据本发明的轨道板上表面温度比下表面高10℃的纵向应力云图；
图5为根据本发明的轨道板上表面温度比下表面低5℃的纵向应力云图；
图6为根据本发明的轨道板上表面温度比下表面低10℃的纵向应力云图；
图7为根据本发明的轨道板推板试验模型示意图；
图8为根据本发明的轨道板在纵向集中力作用下的力与位移变化关系图；
图9为施加50kN力时轨道板的位移示意图；
图10为施加200kN力时轨道板的位移示意图；
图11为根据本发明的车轮与钢轨的三维仿真模型示意图；
图12为根据本发明的道岔基本轨、尖轨及间隔铁的三维仿真模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
以下实施例均以部件组合为模拟试验基础，本发明的高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***结构框图如图1所示，其包括：
(1)试验模拟平台模块，其是一个界面友好、生动、易于操作的人机交互***平台，用户在进入该模块后，选择不同的轨道结构及部件进行各种动力或静力试验。
(2)轨道结构及部件试验仿真模型构建模块，本模块是试验模拟***的核心部分，其包括：关键部件模拟单元，其负责进行轨道结构关键部件的模拟；以及，整体性能模拟单元，其负责进行轨道结构整体性能的模拟。
(3)数据采集和分析处理模块，本模块实现对模型试验数据的采集和分析功能，可实现数据的保存与输出，对试验数据进行相应的统计分析。
关键部件模拟单元包括：钢轨结构模拟子模块、扣件结构模拟子模块、轨枕结构模拟子模块和其它结构模拟子模块；整体性能模拟单元包括：轨道落轴试验子模块、无砟轨道测试子模块、无缝线路测试子模块和轨道动态测试子模块。
在具体实施例中，用户通过所述试验模拟平台对各种类型的部件进行组装，并加以不同类型的荷载和轨道不平顺激励，进行不同条件、不同工况下的轨道试验。轨道结构及部件试验仿真模型构建模块利用有限元分析软件建立钢轨、轨枕、扣件、无砟轨道板等轨道结构及其部件的有限元模型；并根据用户选择指示，利用所述有限元分析软件中的开发语言创建接口，将以上模块连接起来，实现轨道结构的组装；再利用所述有限元分析软件模拟荷载或轨道不平顺激励，加载到结构上，模拟轨道结构及部件在试验过程中的受力与变形。在轨道结构及部件上设置扩展试验的接口，便于将来优化和完善***功能。
实施例1：
本实施例运用传热学等基本理论，采用有限元方法，利用ANSYS软件对板式轨道结构在温度作用下的力学特性进行了仿真试验，对仿真试验所得数据进行分析，并利用FLASH软件进行动画模拟，最后通过VB.NET语言形成独立的仿真***，为轨道工程教学和无砟轨道的设计提供平台和依据。
轨道板温度力试验，只研究轨道板在温度荷载作用下的变形和受力情况，所以在建模中将钢轨作用忽略，建立轨道板和混凝土层的简化模型，二者之间的CA砂浆层采用三向弹簧来模拟。模型选取一块轨道板进行计算，如图2所示。轨道板选用日本的新干线A型轨道板，相关参数见表1和表2。
表1：日本的新干线A型轨道板和混凝土层相关参数
| 长/m | 宽/m | 厚/m | 弹性模量/MPa | 泊松比 | 密度/kg/m3 | 线膨胀系数/℃-1 | |
| 轨道板 | 4.95 | 2.5 | 0.2 | 3.6×104 | 0.2 | 2400 | 1×10-5 |
| 混凝土层 | 5.05 | 3.0 | 0.3 | 3.3×104 | 0.167 | 2400 | 1×10-5 |
表2：CA砂浆层相关参数
| 长/m | 宽/m | 厚/m | 垂向刚度/N/m | 纵向刚度/N/m | 横向刚度/N/m | |
| CA砂浆层 | 4.95 | 2.5 | 0.05 | 4.71×107 | 4.81×105 | 3.96×105 |
加载时考虑沿板厚方向的温度梯度为0.5℃/cm。温度状态考虑以下四种工况：(1)轨道板上表面比下表面高5℃；(2)轨道板上表面比下表面高10℃；(3)轨道板上表面比下表面低5℃；(4)轨道板上表面比下表面低10℃。不同工况下轨道板的主要试验结果见表3。不同工况下轨道板纵向应力云图如图3至图6所示。
表3：温度梯度作用下轨道板主要试验结果
| 计算工况 | 最大竖向位移/mm | 纵向最大拉应力/MPa | 纵向最大压应力/MPa | 横向最大拉应力/MPa | 横向最大压应力/MPa |
| 工况(1) | 0.061 | 1.070 | 1.420 | 1.110 | 1.430 |
| 工况(2) | 0.120 | 2.180 | 2.800 | 2.230 | 2.850 |
| 工况(3) | 0.076 | 1.050 | 1.440 | 1.100 | 1.450 |
| 工况(4) | 0.130 | 2.140 | 2.840 | 2.210 | 2.880 |
考虑轨道板不同厚度的影响，在沿轨道板厚度方向从上至下以0.5℃/cm温度梯度进行升温变化和降温变化两种温度变化条件下，各考虑以下三种工况：(1)板厚0.16m；(2)板厚0.2m；(3)板厚0.24m。不同工况下轨道板的主要试验结果见表4和表5。
表4：沿轨道板厚度方向从上至下以0.5℃/cm温度梯度进行升温变化条件下主要试验结果
| 计算工况 | 最大竖向位移/mm | 纵向最大拉应力/MPa | 纵向最大压应力/MPa | 横向最大拉应力/MPa | 横向最大压应力/MPa |
| 工况(1) | 0.110 | 1.230 | 2.580 | 1.290 | 2.610 |
| 工况(2) | 0.130 | 2.140 | 2.840 | 2.210 | 2.880 |
| 工况(3) | 0.174 | 2.540 | 3.400 | 2.530 | 3.330 |
表5：沿轨道板厚度方向从上至下以0.5℃/cm温度梯度进行降温变化条件下主要试验结果
| 计算工况 | 最大竖向位移/mm | 纵向最大拉应力/MPa | 纵向最大压应力/MPa | 横向最大拉应力/MPa | 横向最大压应力/MPa |
| 工况(1) | 0.085 | 1.730 | 2.250 | 1.790 | 2.300 |
| 工况(2) | 0.120 | 2.180 | 2.800 | 2.230 | 2.850 |
| 工况(3) | 0.159 | 2.610 | 3.320 | 2.580 | 3.270 |
由以上试验结果和应力云图可以看出：(1)当轨道板上表面温度高于下表面温度时板中心会上鼓，低于下表面温度时轨道板的4个角点会上翘；(2)在相同的沿板厚温度梯度条件下，轨道板的变形量随板厚的增加而增大，应力也随着板厚的增加而增大；(3)温差变化和结构变形并不是简单的线性关系，温度越高，变形的变化幅度越大，在温差变化大的地区，会引起较大的轨道不平顺，应高度重视温度变化对无砟轨道板及其相关轨道结构带来的影响。
实施例2：
本实施例模拟现场试验，采用有限元方法，利用ANSYS软件对板式轨道结构在纵向力作用下的力学特性进行了仿真试验，对试验所得数据进行分析，并利用FLASH软件进行动画模拟，最后通过VB.NET语言形成独立的仿真***，为轨道工程教学和无砟轨道的设计提供平台和依据。
本实施例所模拟的轨道板推板试验，即研究轨道板在纵向集中力作用下的位移，得到力和位移的关系，进而求得其间的摩阻力，在该试验中，建立轨道板和混凝土层的简化模型，二者之间的CA砂浆层采用三向弹簧来模拟。取一块板作为研究对象，如图7所示。轨道板选用日本的新干线A型轨道板，相关参数见表1和表2。
模拟试验中，在轨道板上施加的力分别为25kN、50kN、100kN、150kN、200kN、250kN、300kN，得到施加在轨道板上的力与轨道板纵向位移之间的关系如图8所示。在轨道板上施加50kN和200kN的力时轨道板的位移量如图9和图10所示。
由图8可知，在力小于300kN即混凝土未失效的情况下(据现场实地测试得到)，轨道板所受的力与位移几乎成线性变化，即说明在理想状态下，截止到失效前为止，CA砂浆层的摩擦系数可认为是不变的。
实施例3：
本实施例模拟落轴试验，在选定的轨道断面上，利用轮对在一定落高下自由落体造成对钢轨轨面的垂向冲击，一方面测定钢轨的垂向冲击力信号，计算出轨道的弹性系数K与阻尼系数C；另一方面通过钢轨冲击力幅值的衰减及轨道各部分的振动加速度，分析轨道结构的振动传递与衰减性能。轨道的弹性系数与阻尼系数的测试与计算，借鉴日本铁道综合技术研究所比较成熟的试验方法，计算中将轨道与荷载***视为单自由度来考虑。
本实施例采用有限元方法，利用ANSYS软件模拟列车运行时轮轨间实际冲击，对不同落轴高度及轴重下轨道的变形及受力情况进行了仿真试验，对试验所得数据进行分析，并利用FLASH软件进行动画模拟，最后通过VB.NET语言形成独立的仿真***，为轨道结构选型与参数设计优化及轨道教学提供理论依据和展示平台。
钢轨、车轮采用实体建模，图11示出了车轮与钢轨的三维仿真模型，在该仿真模型中，轮轨间接触利用ANSYS/LS-DYNA中特有的自动接触来模拟，在钢轨轨顶处用一组弹簧来模拟钢轨阻尼，将钢轨下部的轨道板、CA砂浆层等结构简化，用施加于轨底处的五组弹簧(横向、竖向均加)来进行简化模拟，弹簧间隔0.6m，仅考虑其轴向伸长与压缩，忽略弯扭剪切与扣件扣压力影响。
钢轨采用60kg/m钢轨，其弹性模量E＝2.11×1011N/m2，计算长度6m，惯性矩I＝3.217×10-5m4，泊松比取0.3，密度取7830kg/m3；辐条式轮对，轴重1.2t，其弹性模量E＝2.11×1011N/m2，泊松比取0.3，密度取7830kg/m3；轨顶弹簧阻尼取7.5×104N·s/m和9.5×104N·s/m两种情况，轨底弹簧刚度取3.5×107N/m。
根据建立的落轴冲击动力有限元模型，利用控制变量法来进行试验，该模型中变量为跌落高度和钢轨的阻尼。跌落高度分别为：15mm、20mm、25mm；钢轨阻尼取7.5×104N·s/m和9.5×104N·s/m两种情况，可认为是分别模拟长枕埋入式无砟轨道和弹性长枕轨道两种情况。
计算中，取轮对在15mm处自由落体，阻尼系数分别为7.5×104N·s/m和9.5×104N·s/m进行比较，得到钢轨垂向冲击力信号，进而得到垂直冲击力作用的持续时间、回弹系数(轮对第一次下落的最大速度V0与冲击轨面后反弹跳起来的速度V1之比为回弹系数)等参数。同时借鉴日本铁道综合技术研究所的试验方法，根据公式计算出轨道的弹性系数K，计算中将轨道与荷载***视为单自由度来考虑。试验结果见表6。
表6：轨道的弹件系数K试验结果
表6所示的数据表明：在落轴落高相同的情况下(本实施例取15mm落高)，阻尼系数小的轨道结构要比阻尼系数大的轨道结构所受的垂直冲击力大。而这与现场试验所测得的结论是相符的。
实施例4：
本实施例模拟客运专线间隔铁阻力试验，采用有限元方法，利用ANSYS软件对1100N·m螺栓扭矩下的间隔铁阻力特性进行了仿真试验，对试验所得数据进行分析，并利用FLASH软件进行动画模拟，最后通过VB.NET语言形成独立的仿真***，为轨道工程教学和客运专线高速道岔设计提供平台和依据。
本实施例所模拟的间隔铁阻力试验，即研究间隔铁在纵向集中力作用下的位移，得到力和位移的关系，进而分析间隔铁在螺栓扭矩为1100N·m时的阻力特性。在该试验中，建立道岔基本轨、尖轨、间隔铁以及螺栓的实体模型，间隔铁与钢轨之间的摩擦作用采用弹簧滑动器来模拟，螺栓处的联结采用非线性弹簧来模拟。在不同大小的荷载作用下，通过ANSYS模拟得出间隔铁与基本轨贴靠处的相对位移和间隔铁与尖轨贴靠处的相对位移，就可换算出不同荷载作用下间隔铁所联结的尖轨与基本轨的相对位移。道岔基本轨、尖轨及间隔铁的三维模型如图12所示，试验所模拟的材料相关信息见表7。
表7：间隔铁阻力试验模拟材料
| 名称 | 数量 | 名称 | 数量 |
| 间隔铁160-167/AY(Z) | 1 | 螺栓M27×110 | 3 |
| 夹板400/A | 1 | 螺栓M27×120 | 3 |
| 夹板400/B | 1 | 0.66m长60kg/m钢轨 | 1 |
| ---- | -- | 0.66m长60D40钢轨 | 1 |
本发明还可以利用动画制作软件制作试验过程和试验结果的演示动画，呈现整个试验的过程，为相关教学和科研提供生动的动画展示。
Claims (6)
1.一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其特征是，包括：
(1)试验模拟平台模块，其是一个人机交互***平台，用户在进入该模块后，选择不同的轨道结构及部件进行各种动力或静力试验；
(2)轨道结构及部件试验仿真模型构建模块，本模块是试验模拟***的核心部分，其包括：关键部件模拟单元，其负责进行轨道结构关键部件的模拟；和整体性能模拟单元，其负责进行轨道结构整体性能的模拟；以及，
(3)数据采集和分析处理模块，本模块实现对模型试验数据的采集和分析功能，实现数据的保存与输出，对试验数据进行相应的统计分析；
各模块之间的连接关系如下：
用户通过所述试验模拟平台对所述轨道结构及部件试验仿真模型进行组装，从而构建所述轨道结构及部件试验仿真模型构建模块；对所述轨道结构及部件试验仿真模型加以不同类型的荷载和轨道不平顺激励，并采用有限元方法进行轨道力学特性的仿真试验，并将所述仿真试验数据发送给所述数据采集和分析处理模块进行统计分析和处理，并保存和输出处理结果。
2.根据权利要求1所述的一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其特征是：在试验过程中，用户通过所述试验模拟平台模块对各种类型的部件进行组装，并加以不同类型的荷载和轨道不平顺激励，进行不同条件、不同工况下的轨道试验。
3.根据权利要求1所述的一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，所述轨道结构及部件试验仿真模型构建模块利用有限元分析软件建立轨道结构及其部件的有限元模型，所述轨道结构及其部件包括：钢轨、轨枕、扣件和无砟轨道板。
4.根据权利要求1所述的一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其特征是，所述关键部件模拟单元包括：钢轨结构模拟子模块、扣件结构模拟子模块、轨枕结构模拟子模块和其它结构模拟子模块；所述整体性能模拟单元包括：轨道落轴试验子模块、无砟轨道测试子模块、无缝线路测试子模块和轨道动态测试子模块；其中，各个子模块之间连接关系如下：根据用户选择指示，利用所授予有限元分析软件中的开发语言创建接口，将所述关键部件模拟单元中的钢轨结构模拟子模块、扣件结构模拟子模块、轨枕结构模拟子模块和其它结构模拟子模块连接起来；并进行所述轨道落轴试验子模块、无砟轨道测试子模块、无缝线路测试子模块和轨道动态测试子模块的轨道结构组装及模拟测试。
5.根据权利要求1所述的一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其特征是：在所述轨道结构及部件上设置扩展试验的接口，便于将来优化和完善***功能。
6.根据权利要求1所述的一种高速铁路及城市轨道交通轨道结构试验模拟***，其特征是：利用动画制作软件制作试验过程和试验结果的演示动画，呈现整个试验的过程，为相关教学和科研提供生动的动画展示。
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