[发明专利]基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统及其动力分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于联合仿真的车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无砟轨道无缝道岔结构体系的动力分析方法，属于铁道工程应用计算与设计技术领域。

背景技术

道岔是列车从一股轨道转入或越过另一股轨道时必不可少的线路设备，是铁路轨道结构的重要组成部分，高速道岔更是高速铁路中限制列车运行速度的重要因素，其结构与状态对列车运行的安全性、平稳性以及旅客的舒适度产生直接的影响。

高速铁路对线路平顺性有很高的要求，因而高速铁路建设有大量桥上线路。桥梁比例大，高架桥、长大桥较多成为我国高速铁路的主要特征，且已经出现高架车站以及车站咽喉区位于桥上，如郑西客运专线渭南北站，京沪高速铁路徐州东站等。高速道岔作为高速铁路的重大基础装备之一，列车高速通过时，除保证正常使用外还要求具有与区间线路相同的舒适性，且要满足桥梁结构受力合理等需要。高速铁路桥上道岔区由于桥梁、道岔、车辆相互作用形成车岔桥耦合相互作用系统，其受力状态非常复杂。

建立科学合理的桥上无缝道岔动力分析模型，对桥上无缝道岔系统进行动力分析，是高速铁路桥上无缝道岔理论研究中的重点和难点之一。由于道岔与桥梁的相互作用机理非常复杂，所以桥上无缝道岔技术综合了桥上无缝线路、无缝道岔以及铁路大跨度桥梁的技术特点和难点，是高速铁路建设中十分重要且亟待解决的关键技术问题之一。

目前国内外对桥上道岔动力学的研究多采用商业软件或自编程序进行仿真计算和模拟分析，取得了一定的进展，但尚没有成熟的结论，也较少桥上道岔的实际施工和运营经验。目前国内对车岔桥系统动力学的研究中，针对轨道和桥梁结构动力学的研究，多采用有限元方法，而针对车辆运营安全性、舒适性的研究，则较多采用多体动力学的方法。有限元方法能够建立较为精细的结构模型，然而不易建立轮轨接触关系模型，而多体动力学方法能够针对车辆系统和轮轨接触关系进行细致的建模，但不能精细的反映轨道和桥梁结构。在两种方法的商业软件应用基础上，建立能够将有限元结构模型和多体动力学车辆模型进行耦合的联合仿真方法，不仅操作简便，细致完备，而且能够准确反映桥上道岔空间动力学特性。

发明内容

为了克服桥上无缝道岔结构体系现有动力分析方法中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于联合仿真的车辆-道岔-桥梁空间耦合模型的桥上无缝道岔系统动力分析方法。本发明方法针对商业软件中多体动力学软件和有限元分析软件的特点，利用SIMPACK软件来完成车辆结构与变截面道岔的建模和车岔之间、轨道与桥梁之间的动力相互作用的模拟，利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模，再利用SIMPACK软件建立满足力平衡条件和变形协调条件的哑元实现车辆模型和道岔模型之间的刚柔耦合，并完成耦合求解。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统，其包括：车辆模型、道岔模型、轨道及桥梁子结构模型；以及车辆和道岔之间的轮轨耦合接触模型、道岔和桥梁之间的轨道支承模型；其中，所述道岔模型为无砟轨道道岔模型，所述轨道及桥梁子结构模型包括钢轨模型、轨道板模型、简支梁桥模型和连续梁桥模型；

所述车辆模型采用SIMPACK软件完成；所述道岔模型首先通过自编程序制作道岔截面离散数据文件，然后由SIMPACK软件轮轨模块还原成具有实际道岔截面特征的变截面道岔模型；所述轨道及桥梁子结构模型采用ABAQUS软件完成，然后通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件环境；在上述建模工作的基础上，所述轮轨耦合接触模型和轨道支承模型在SIMPACK软件中实现车辆、道岔、桥梁之间的相互连接和耦合求解。

一种基于联合仿真的桥上无砟道岔结构系统的动力分析方法，其包括：

车辆建模：利用SIMPACK软件来完成多刚体车辆结构的建模，求解后得到车体加速度、轮轨作用力、脱轨系数以及轮重减载率四种关键动力学指标；

道岔建模：根据实际的道岔截面图纸，通过编程离散制作截面数据文件，利用SIMAPCK软件对截面沿轨道纵向进行插值计算，建立变截面道岔模型；ABAQUS软件建立钢轨、道岔板等实体结构模型，求解后得到道岔尖轨、心轨的开口量；

轨道及桥梁子结构建模：利用ABAQUS软件来完成钢轨、无砟轨道、桥梁结构的建模并生成子结构模型，通过SIMPACK软件的FEMBS模块导入SIMPACK软件，求解后得到钢轨、轨道板、桥梁结构的振动加速度、动位移两种关键动力学指标。