CN115292972B - 地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法 - Google Patents

地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，包括以下步骤：建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型；建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型；建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块；得到在轮轨接触面的耦合动力关系；建立地震波数字孪生仿真计算模块；得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系；建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块；得到高速列车运行数字孪生安全评价指标。本发明能够针对地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真进行数字化构建，解决地震作用下高速铁路桥上行车物理模型与数据驱动模型精准映射建模、设计、分析、诊断、决策的底层关键技术问题。

Description

地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥梁工程技术领域，具体涉及一种地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法。
背景技术
截至2021年底，全国高铁营运里程已达4万公里，到2025年，以“八纵八横”为主骨架的高速铁路网将覆盖50万人口以上城市，高铁营运里程将达到5万公里，桥梁结构在大多数高铁线路中占比超过50%。另一方面，我国地震具有活动频度高且具有强度大、震源浅、分布广的特点，西部地区断层和地震带广泛分布，地下构造活动较为活跃。这就意味着地震时高速铁路桥梁上行车的概率大大增加，地震时桥梁的振动对行车安全有显著的影响。
近年来地震时高速铁路桥梁上列车运行安全问题和动力响应特性引起了铁路工程界的广泛关注，并围绕地车辆模型和桥梁模型、轮对和桥梁相互作用模型和地震输入方式等方面开展了深入的研究。但多数研究停留于使用商业软件Simpack和Opensees进行联合仿真，无法做到精细化的数字孪生仿真计算。
针对上述问题，很有必要研究出一套自主可控的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，用以***解决准确模拟真实环境中的地震作用下高速铁路桥上行车孪生模型精细协同仿真问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法。
本发明的技术方案是：地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，包括以下步骤：
A.建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型；
B.建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型；
C.建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块；
D.基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系；
E.建立地震波数字孪生仿真计算模块；
F.基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系；
G. 建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块；
H.得到高速列车运行数字孪生安全评价指标。
更进一步的，步骤A建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，高速列车根据拉格朗日方程原理建立振动运动方程；
然后，无砟轨道中的扣件、轨枕、道床板采用参振质量的形式进行模拟；
再后，无砟轨道中的钢轨采用带刚臂单元模拟；
最后，桥梁梁体采用带刚臂单元联合变截面空间梁单元模拟。
更进一步的，步骤B建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，支座采用支座模型进行模拟；
然后，桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，并对桥墩的横截面进行网格划分。
最后，建立包含弹塑性纤维梁柱单元的下部结构子***动力方程。
桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟过程中，还包括以下过程：
首先，桥墩混凝土和桥墩钢筋分别赋予混凝土纤维和钢筋纤维对应的本构模型；
然后，桥墩混凝土纤维采用Kent-Scott-Park混凝土本构模型进行模拟；
最后，桥墩钢筋纤维采用修正梅内戈托与平托模型进行模拟。
更进一步的，步骤C建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
将各类无砟轨道不平顺功率谱密度函数转换成随机轨道不平顺时程曲线，从而使无砟轨道不平顺作为车桥耦合分析***的自激励；
将计算得到的无砟轨道不平顺时程曲线作用于步骤A建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中，是上部结构子***数字孪生仿真计算模型中高速列车与无砟轨道之间相互作用的激励源。
更进一步的，步骤D基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以上部结构子***中的高速列车轮和下部结构子***中的无砟轨道之间的接触为界面；
然后，高速列车和无砟轨道在轮轨接触点通过位移协调和轮轨相互作用力相互联系，接触点求解过程中需代入步骤C计算得到的无砟轨道随机不平顺时程曲线；
再后，轮轨相互作用力中的轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论，轮轨相互作用力中的轮轨切向蠕滑力采用Kaller理论；
最后，将求解得到的轮轨相互作用力代入步骤A建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
更进一步的，步骤E建立地震波数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
首先，可采用人工合成地震波的方法，建立地震波数字孪生仿真计算模块；
然后，可采用天然地震波调整法，建立地震波数字孪生仿真计算模块。
最后，将地震波数字孪生仿真计算模块计算得到的随机地震波代入步骤B建立的下部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
更进一步的，步骤F基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以步骤A建立的上部结构子***与步骤B建立的下部结构子***之间以支座处为边界；
然后，运用支座处力的平衡和位移协调条件，根据上一时程上部结构子***位移量，计算出上部结构子***作用于边界处的荷载；
再后，步骤B建立的下部结构子***接受上部结构子***传递的荷载；
最后，将传递的荷载代入步骤B建立的动力方程求解对应的动力位移响应，并将该位移响应传递回步骤A建立的上部结构子***作为下一个时程的位移量，如此循环直至结束。
更进一步的，步骤G建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块，具体过程如下：
首先，利用Newton-Raphson迭代算法对步骤B所涉及的桥墩弹塑性纤维梁柱单元进行仿真分析；
然后，分别计算出桥墩在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态；
最后，分别计算出梁体在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态。
更进一步的，步骤H得到高速列车运行数字孪生安全评价指标，具体过程如下：
首先，得到地震情况下步骤A建立的上部结构子***中的车桥耦合动力响应的计算结果；
然后，计算出高速列车运行安全评价指标。
本发明的有益效果如下：
本发明通过分别建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块、列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系、地震波数字孪生仿真计算模块、上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系、弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块、高速列车运行数字孪生安全评价指标，进而建立了一套完全自主可控的完整的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法技术。
本发明能够针对交通运输领域的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真进行数字化构建，解决地震作用下高速铁路桥上行车物理模型与数据驱动模型精准映射建模、设计、分析、诊断、决策的底层关键技术问题。
附图说明
图1为本发明中数字孪生精细协同仿真的模块示意图；
图2为本发明中上部结构子***与下部结构子***的示意图；
图3为本发明中箱梁梁体横截面的示意图；
图4为本发明中箱梁梁体横截面的任意截面输入界面；
图5为本发明中桥墩横截面纤维单元网格划分示意图；
图6为本发明中Kent-Scott-Park混凝土本构模型示意图；
图7为本发明中钢筋纤维的修正梅内戈托与平托模型示意图；
图8为本发明中轮轨接触示意图；
图9为本发明中简支箱梁截面尺寸和Simpack模型图；
图10为本发明中桥墩横截面尺寸及下部结构子***的桥墩实物、支座实物和网格剖分示意图。
具体实施方式
以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：
如图1至图10所示，地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，包括以下步骤：
A.建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型；
B.建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型；
C.建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块；
D.基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系；
E.建立地震波数字孪生仿真计算模块；
F.基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系；
G. 建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块；
H.得到高速列车运行数字孪生安全评价指标。
步骤A建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，高速列车根据拉格朗日方程原理建立振动运动方程；
然后，无砟轨道中的扣件、轨枕、道床板采用参振质量的形式进行模拟；
再后，无砟轨道中的钢轨采用带刚臂单元模拟；
最后，桥梁梁体采用带刚臂单元联合变截面空间梁单元模拟。
步骤B建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，支座采用支座模型进行模拟；
然后，桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，并对桥墩的横截面进行网格划分，如图5。
最后，建立包含弹塑性纤维梁柱单元的下部结构子***动力方程。
桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟过程中，还包括以下过程：
首先，桥墩混凝土和桥墩钢筋分别赋予混凝土纤维和钢筋纤维对应的本构模型；
然后，桥墩混凝土纤维采用Kent-Scott-Park混凝土本构模型进行模拟，如图6；
最后，桥墩钢筋纤维采用修正梅内戈托与平托模型进行模拟，如图7。
步骤C建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
将各类无砟轨道不平顺功率谱密度函数转换成随机轨道不平顺时程曲线，从而使无砟轨道不平顺作为车桥耦合分析***的自激励。其中的无砟轨道不平顺功率谱密度函数可选自铁路规范《高速铁路无砟轨道不平顺谱》（TB/T 3352-2014）中所描述的轨距不平顺、水平不平顺、轨向不平顺、高低不平顺等对应的无砟轨道功率谱密度函数，也可来自高铁无砟轨道不平顺实测数据转化的不平顺功率谱密度函数。
将计算得到的无砟轨道不平顺时程曲线作用于步骤A建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中，是上部结构子***数字孪生仿真计算模型中高速列车与无砟轨道之间相互作用的激励源。
步骤D基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以上部结构子***中的高速列车轮和下部结构子***中的无砟轨道之间的接触为界面，如图8；
然后，高速列车和无砟轨道在轮轨接触点通过位移协调和轮轨相互作用力相互联系，接触点求解过程中需代入步骤C计算得到的无砟轨道随机不平顺时程曲线。
再后，轮轨相互作用力中的轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论，轮轨相互作用力中的轮轨切向蠕滑力采用Kaller理论。
最后，将求解得到的轮轨相互作用力代入步骤A建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
步骤E建立地震波数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
首先，可采用人工合成地震波的方法，建立地震波数字孪生仿真计算模块；
然后，可采用天然地震波调整法，建立地震波数字孪生仿真计算模块。
最后，将地震波数字孪生仿真计算模块计算得到的随机地震波代入步骤B建立的下部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
步骤F基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以步骤A建立的上部结构子***与步骤B建立的下部结构子***之间以支座处为边界；
然后，运用支座处力的平衡和位移协调条件，根据上一时程上部结构子***位移量，计算出上部结构子***作用于边界处的荷载；
再后，步骤B建立的下部结构子***接受上部结构子***传递的荷载；
最后，将传递的荷载代入步骤B建立的动力方程求解对应的动力位移响应，并将该位移响应传递回步骤A建立的上部结构子***作为下一个时程的位移量，如此循环直至结束。
步骤G建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块，具体过程如下：
首先，利用Newton-Raphson迭代算法对步骤B所涉及的桥墩弹塑性纤维梁柱单元进行仿真分析；
然后，分别计算出桥墩在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态；
最后，分别计算出梁体在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态。
步骤H得到高速列车运行数字孪生安全评价指标，具体过程如下：
首先，得到地震情况下步骤A建立的上部结构子***中的车桥耦合动力响应的计算结果；
然后，计算出高速列车运行安全评价指标。
具体的，步骤A建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型中，上部结构子***包括高速列车、无砟轨道和桥梁梁，根据孪生对象的实际物理模型尺寸建模。
具体的，步骤B建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型中，下部结构子***由桥墩和支座组成，在建立孪生模型时，支座可采用6方向刚度弹性支座模拟，也可采用其他支座模型模拟。
具体的，步骤C建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块中，采用三角级数法来作为不平顺数字孪生仿真计算模块的主算法。
具体的，步骤F基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系中，运用在边界处的位移协调条件，上部结构子***实时接受下部子结构传递的位移实现支座的强迫振动。
具体的，步骤H得到高速列车运行数字孪生安全评价指标，安全评价指标包括脱轨系数、轮重减载率、横向力、车体加速度指标、舒适度指标、平稳性指标。
具体的，步骤A中根据拉格朗日方程建立高速列车模型振动方程的过程如下，以42自由度振动方程为例：
拉格朗日方程的表达式为：
Figure 74345DEST_PATH_IMAGE001
(1)
式中，T、V、Q分别为***的总动能、总弹性势能和阻尼总耗散能;
Figure 49254DEST_PATH_IMAGE002
为高速列车各部分的自由度，
Figure 734314DEST_PATH_IMAGE003
为
Figure 351240DEST_PATH_IMAGE004
的导数，
Figure 172565DEST_PATH_IMAGE005
可表示为车体、转向架、轮对各自由度，车体、转向架、轮对的具体符号如下：
车体的自由度：
Figure 583955DEST_PATH_IMAGE006
(2)
转向架的自由度：
Figure 490731DEST_PATH_IMAGE007
(3)
轮对的自由度：
Figure 911348DEST_PATH_IMAGE008
(4)
上述中，
Figure 584250DEST_PATH_IMAGE009
表示车体、转向架、轮对的自由度,
Figure 432121DEST_PATH_IMAGE010
表示伸缩,
Figure 826193DEST_PATH_IMAGE011
表示横摆，
Figure 784922DEST_PATH_IMAGE012
表示沉浮，
Figure 580839DEST_PATH_IMAGE013
表示侧滚，
Figure 599611DEST_PATH_IMAGE014
表示点头，
Figure 480979DEST_PATH_IMAGE015
表示摇头；下标c表示车体，ti表示转向架；wij表示轮对。
基于式(2)~(4)的自由度，分别计算出车辆的总动能、总势能、阻尼耗散能，然后代入式(1)后，即可得到42自由度列车车辆的振动方程。
具体的，钢轨和梁体的截面尺寸可采用任意截面的输入方式进行实际物理模型尺寸建模。
更为具体的，自定义的任意截面输入规则，约定规则如下：
首先，各边按逆时针方向输入，用分号";"隔开；
然后，每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；
再后，5个参量的物理意义如下：
①截面号，>0外轮廓，<0内轮廓
②起始端点x坐标
③起始端点z坐标
④半径r，=0直线段，>0圆弧半径
⑤圆弧标示，=0整圆，>0劣弧，<0优弧。
最后，根据上述输入的钢轨和梁体的具体物理模型尺寸，采用带刚臂单元联合变截面空间梁单元模拟。
如附图3所示的箱梁横截面，采用上述任意截面输入规则，具体数据可见表1，基于任意截面输入规则的自主可控数字孪生仿真平台箱梁横截面输入界面如附图4所示。
表1 箱梁横截面输入数据
Figure 977820DEST_PATH_IMAGE016
然后根据上述输入的钢轨和梁体的具体物理模型尺寸，采用带刚臂单元联合变截面空间梁单元模拟。
具体的，步骤B中对于桥墩混凝土的Kent-Scott-Park混凝土本构模型，其应力-应变曲线方程可写为：
Figure 628244DEST_PATH_IMAGE017
(5)
式中，
Figure 817917DEST_PATH_IMAGE018
与
Figure 186581DEST_PATH_IMAGE019
为混凝土的应力与应变，
Figure 487113DEST_PATH_IMAGE020
为混凝土抗压强度（峰值应力），
Figure 992043DEST_PATH_IMAGE021
为抗压强度对应的混凝土压应变（峰值应力），
Figure 352617DEST_PATH_IMAGE022
为混凝土破坏强度（极限应力），
Figure 942999DEST_PATH_IMAGE023
为破坏强度对应的混凝土压应变（极限应变）。
具体的，对于钢筋纤维的修正梅内戈托与平托本构模型，其应力-应变曲线方程可写为：
Figure 47221DEST_PATH_IMAGE024
(6)
其中：
Figure 672237DEST_PATH_IMAGE025
(7)
式中，
Figure 203713DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 281390DEST_PATH_IMAGE027
为钢筋纤维的计算应力值、计算应变值；
Figure 923724DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 137668DEST_PATH_IMAGE029
为钢筋纤维的应力、应变；
Figure 311816DEST_PATH_IMAGE030
为卸载点位置，在弹性状态时假定为(0, 0)；
Figure 142369DEST_PATH_IMAGE031
为加载或卸载路径的两个渐近线（弹性与屈服渐近线）的交点；
Figure 322814DEST_PATH_IMAGE032
为刚度折减率；
Figure 922423DEST_PATH_IMAGE033
为考虑包辛格效应的参数；
Figure 795701DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 582391DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 832107DEST_PATH_IMAGE036
为常数(决定曲线状态的参数，可使用试验获得的优化值)；
Figure 286222DEST_PATH_IMAGE037
为在加载/卸载的方向上最大应变与
Figure 330402DEST_PATH_IMAGE038
的差(绝对值)。
具体的，步骤C中采用三角级数法作为不平顺数字孪生仿真计算模块的主算法,具体计算公式为：
Figure 604388DEST_PATH_IMAGE039
(8)
式中：
Figure 392215DEST_PATH_IMAGE040
为所产生的轨道不平顺序列；
Figure 700837DEST_PATH_IMAGE041
为给定的轨道不平顺的功率谱密度函数；
Figure 915918DEST_PATH_IMAGE042
（k=1,2,…N）为所考虑的频率，其中
Figure 942780DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 268719DEST_PATH_IMAGE044
分别为所考虑频率的上下限；
Figure 697426DEST_PATH_IMAGE045
为频率间隔的带宽；
Figure 817829DEST_PATH_IMAGE046
为相应的第k个频率的相位，一般可按0～2π间均匀分布取值。
具体的，步骤D中轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论，计算公式如下：
Figure 331987DEST_PATH_IMAGE047
(9)
式中，
Figure 196038DEST_PATH_IMAGE048
为轮轨接触常数，与轮轨踏面等因素有关，单位
Figure 744831DEST_PATH_IMAGE049
；
Figure 502046DEST_PATH_IMAGE050
为Hertz法向接触力；
Figure 503501DEST_PATH_IMAGE051
为轮轨间法向相对变形值。
轮轨切向蠕滑力采用Kaller理论，与蠕滑率之间的关系可表示为：
Figure 171242DEST_PATH_IMAGE052
(10)
式中，
Figure 574542DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 36747DEST_PATH_IMAGE054
为纵向、横向蠕滑力；
Figure 259918DEST_PATH_IMAGE055
为旋转蠕滑力矩；
Figure 731351DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 989157DEST_PATH_IMAGE057
为纵向、横向蠕滑系数；
Figure 887843DEST_PATH_IMAGE058
为旋转/横向蠕滑系数；
Figure 598310DEST_PATH_IMAGE059
为旋转蠕滑系数；
Figure 483220DEST_PATH_IMAGE060
为轮轨纵向蠕滑率；
Figure 595533DEST_PATH_IMAGE061
为轮轨横向蠕滑率；
Figure 665120DEST_PATH_IMAGE062
为轮轨自旋蠕滑率。
具体的，步骤E中采用人工合成地震波的方法及天然地震波调整法两种方法作为地震波数字孪生仿真计算模块的主要方法，从而形成地震波数字孪生仿真计算模块。
常采用三角级数法人工合成地震波，其计算公式如下：
Figure 862883DEST_PATH_IMAGE063
(11)
式中，
Figure 11537DEST_PATH_IMAGE064
为人工合成的地震波；
Figure 132683DEST_PATH_IMAGE065
为强度包线；
Figure 815249DEST_PATH_IMAGE066
、
Figure 500309DEST_PATH_IMAGE067
分别为第
Figure 851655DEST_PATH_IMAGE068
个频率分量的幅值和频率；
Figure 672981DEST_PATH_IMAGE069
为（0,2π）区间内均匀分布的随机相角。
天然地震波调整法，主要对强度、频率、持时三方面进行调整，天然地震波则采用“两频段双指标法”、“两频段双指标+70%能量持时法”进行选波。
具体的，步骤F中上部结构子***与下部结构子***之间以支座处为边界，上部结构子***实时传递支座处的作用力，运用支座处力的平衡条件和向外插值，下部结构子***接受上部结构子***传递的荷载，下部结构子***可根据动力方程求解响应。可用下列表达式表示：
Figure 349950DEST_PATH_IMAGE070
(12)
式中，
Figure 256726DEST_PATH_IMAGE071
、
Figure 677343DEST_PATH_IMAGE072
为上部结构子***的作用力和位移响应；
Figure 353175DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 27477DEST_PATH_IMAGE074
为下部结构子***的作用力和位移响应。
又一实施例
将利用本发明的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法对某单线高速铁路线路7跨标准跨32m简支箱梁的C50预应力混凝土箱梁地震作用下的行车安全性进行对比研究。
对比研究采用商业软件Simpack与Opensees联合仿真的形式进行。
附图9为简支箱梁的截面尺寸和在商业软件Simpack中建立的高速列车、无砟轨道和桥梁梁体计算模型示意图。
附图10为桥墩横截面尺寸示意图及下部结构子***的桥墩实物、支座实物和网格剖分示意图。
墩高12.5m，桥墩混凝土等级为C35，该部分模型采用商业软件Opensees进行建模仿真。混凝土采用商业软件Opensees中的Concrete02模型，该模型可以考虑箍筋的约束作用对混凝土强度与延性的影响和混凝土的受拉力学性能。钢筋采用Steel02模型，桥梁阻尼比取5%。
采用德国低干扰谱生成轨道不平顺，将轨道高低不平顺和水平不平顺作为***自激励，选用Kern County波作为地震激励。高速列车运行速度分别为300km/h，对地震波进行调幅，研究高速列车在不同地震强度分别为0.035g、0.12g和0.25g的地震作用下的行车安全性。
提取商业有限元联合仿真计算结果，行车安全相关的指标脱轨系数最大值为0.9583（0.25g的地震作用下）及横向轮轨力最大值为52.972KN（动车值）。本发明数字孪生仿真计算结果的脱轨系数最大值为0.9602（0.25g的地震作用下）及横向轮轨力最大值为53.005KN（动车值），最大误差在千分之二以内。
商业有限元联合仿真计算软件的计算结果验证了本发明所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法的准确性。
本发明通过分别建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块、列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系、地震波数字孪生仿真计算模块、上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系、弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块、高速列车运行数字孪生安全评价指标，进而建立了一套完全自主可控的完整的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法技术。
本发明能够针对交通运输领域的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真进行数字化构建，解决地震作用下高速铁路桥上行车物理模型与数据驱动模型精准映射建模、设计、分析、诊断、决策的底层关键技术问题。

Claims (8)

1.地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
（A）建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型；
（B）建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型；
（C）建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块；
（D）基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系；
（E）建立地震波数字孪生仿真计算模块；
（F）基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系；
（G）针对下部结构子***数字孪生仿真计算模型，建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块；
（H）得到高速列车运行数字孪生安全评价指标；
步骤（A）建立上部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，高速列车根据拉格朗日方程原理建立振动运动方程；
然后，无砟轨道中的扣件、轨枕、道床板采用参振质量的形式进行模拟；
再后，无砟轨道中的钢轨采用带刚臂单元模拟；
最后，桥梁梁体采用基于任意截面输入格式的带刚臂单元联合变截面空间梁单元模拟；
步骤（G）建立弹塑性纤维梁柱单元数字孪生地震仿真分析模块，具体过程如下：
首先，利用Newton-Raphson迭代算法对步骤（B）所涉及的桥墩弹塑性纤维梁柱单元进行仿真分析；
然后，分别计算出桥墩在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态；
最后，分别计算出梁体在指定地震波情况下的动力响应及对应的各部位钢筋、混凝土应力应变指标，判别是否进入延性状态；
自定义的任意截面输入规则，约定规则如下：
首先，各边按逆时针方向输入，用分号";"隔开；
然后，每条边的信息包含5个参量，中间用逗号","分开；
再后，5个参量的物理意义如下：
①截面号，>0外轮廓，<0内轮廓
②起始端点x坐标
③起始端点z坐标
④半径r，=0直线段，>0圆弧半径
⑤圆弧标示，=0整圆，>0劣弧，<0优弧；
步骤C中采用三角级数法作为不平顺数字孪生仿真计算模块的主算法,具体计算公式为：
Figure 239614DEST_PATH_IMAGE002
（8）
式中：
Figure 592098DEST_PATH_IMAGE004
为所产生的轨道不平顺序列；
Figure 472329DEST_PATH_IMAGE006
为给定的轨道不平顺的功率谱密度函数；
Figure 910264DEST_PATH_IMAGE008
，k=1,2,…n，为所考虑的轨道不平顺谱的频率，其中
Figure 330881DEST_PATH_IMAGE010
分别为所考虑频率的上下限；
Figure 741134DEST_PATH_IMAGE012
为频率间隔的带宽；
Figure 854583DEST_PATH_IMAGE014
为相应的第k个频率的相位，一般可按0～2π间均匀分布取值；
对于钢筋纤维的修正梅内戈托与平托本构模型，其应力-应变曲线方程可写为：
Figure 779814DEST_PATH_IMAGE016
（6）
其中：
Figure 941805DEST_PATH_IMAGE018
（7）
式中，
Figure 3302DEST_PATH_IMAGE020
为钢筋纤维的计算应力值、计算应变值；
Figure 723871DEST_PATH_IMAGE022
为钢筋纤维的应力、应变；
Figure 136398DEST_PATH_IMAGE024
为卸载点位置，在弹性状态时假定为(0, 0)；
Figure 164397DEST_PATH_IMAGE026
为加载或卸载路径的弹性渐近线与屈服渐近线的交点；
为刚度折减率；
Figure 283662DEST_PATH_IMAGE028
为考虑包辛格效应的参数；
Figure 473335DEST_PATH_IMAGE030
为常数，上述常数为决定曲线状态的参数；
Figure 373158DEST_PATH_IMAGE032
为在加载/卸载的方向上最大应变与
Figure 876952DEST_PATH_IMAGE034
的差；
常采用三角级数法人工合成地震波，其计算公式如下：
Figure 178620DEST_PATH_IMAGE036
（11）
式中，
Figure 539194DEST_PATH_IMAGE038
为人工合成的地震波；
Figure 863996DEST_PATH_IMAGE040
为强度包线；
Figure 233798DEST_PATH_IMAGE042
分别为第
Figure 124393DEST_PATH_IMAGE044
个地震波频率分量的幅值和频率；
Figure 357666DEST_PATH_IMAGE046
为（0,2π）区间内均匀分布的随机相角；
天然地震波调整法，主要对强度、频率和持时三方面进行调整，天然地震波则采用“两频段双指标法”、“两频段双指标+70%能量持时法”中的一种进行选波。
2.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（B）建立下部结构子***数字孪生仿真计算模型，具体过程如下：
首先，支座采用支座模型进行模拟；
然后，桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟，并对桥墩的横截面进行网格划分；
最后，建立包含弹塑性梁柱单元的下部结构子***动力方程。
3.根据权利要求2所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：桥墩采用弹塑性纤维梁柱单元模拟过程中，还包括以下过程：
首先，桥墩混凝土和桥墩钢筋分别赋予混凝土纤维和钢筋纤维对应的本构模型；
然后，桥墩混凝土纤维采用Kent-Scott-Park混凝土本构模型进行模拟；
最后，桥墩钢筋纤维采用修正梅内戈托与平托模型进行模拟。
4.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（C）建立轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
将各类无砟轨道不平顺功率谱密度函数转换成随机轨道不平顺时程曲线，从而使无砟轨道不平顺作为车桥耦合分析***的自激励；
将计算得到的无砟轨道不平顺时程曲线作用于步骤（A）建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中，是上部结构子***数字孪生仿真计算模型中高速列车与无砟轨道之间相互作用的激励源。
5.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（D）基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、轨道不平顺数字孪生仿真计算模块，得到列车和轨道在轮轨接触面的耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以上部结构子***中的高速列车轮和下部结构子***中的无砟轨道之间的接触为界面；
然后，高速列车和无砟轨道在轮轨接触点通过位移协调和轮轨相互作用力相互联系，接触点求解过程中需代入步骤（C）计算得到的无砟轨道随机不平顺时程曲线；
再后，轮轨相互作用力中的轮轨法向力采用非线性赫兹接触理论，轮轨相互作用力中的轮轨切向蠕滑力采用Kaller理论；
最后，将求解得到的轮轨相互作用力代入步骤（A）建立的上部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
6.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（E）建立地震波数字孪生仿真计算模块，具体过程如下：
首先，可采用人工合成地震波的方法，建立地震波数字孪生仿真计算模块；
然后，可采用天然地震波调整法，建立建立地震波数字孪生仿真计算模块；
最后，将地震波数字孪生仿真计算模块计算得到的随机地震波代入步骤（B）建立的下部结构子***数字孪生仿真计算模型中。
7.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（F）基于上部结构子***数字孪生仿真计算模型、下部结构子***数字孪生仿真计算模型、得到上部结构子***与下部结构子***之间的数字孪生耦合动力关系，具体过程如下：
首先，以步骤（A）建立的上部结构子***与步骤（B）建立的下部结构子***之间以支座处为边界；
然后，运用支座处力的平衡和位移协调条件，根据上一时程上部结构子***位移量，计算出上部结构子***作用于边界处的荷载；
再后，步骤（B）建立的下部结构子***接受上部结构子***传递的荷载；
最后，将传递的荷载代入步骤（B）建立的动力方程求解对应的动力位移响应，并将该位移响应传递回步骤（A）建立的上部结构子***作为下一个时程的位移量，如此循环直至结束。
8.根据权利要求1所述的地震作用下高速铁路桥上行车数字孪生精细协同仿真方法，其特征在于：步骤（H）得到高速列车运行数字孪生安全评价指标，具体过程如下：
首先，得到地震情况下步骤（A）建立的上部结构子***中的车桥耦合动力响应的计算结果；
然后，计算出高速列车运行安全评价指标。
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