[发明专利]参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种列车行驶引起的季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型，涉及一种计算机参数化建模方法。

背景技术

作为世界第三冻土大国，中国季节冻土分布面积达514万平方公里，其中冻深超过1m且对工程有严重影响的高寒深季节冻土面积达367万平方公里，主要分布于东北、内蒙大部地区与新疆、青海、西藏部分地区。根据国家铁路发展中长期规划，我国各种干线铁路、支线铁路、地方铁路等主要建设于季节冻土区，极少数铁路干线位于多年冻土与季节冻土交汇区域。当今，货运重载化、客运高速化业已成为世界铁路大国轨道交通两大发展趋势，高速列车的时速已达到350公里、重载列车的载重已超过10000吨，未来几十年仍将突飞猛进地发展重载铁路、高速铁路、快速客运专线等。轨道交通速度的不断提高、载重的不断加大使得动力学与振动问题日益突出。

现有技术中，专利文献号为CN102385658A的发明申请，给出了一种虚拟现实环境下高速铁路桥梁三维参数化建模方法，根据设计图纸参数化建立桥梁的三维模型，并将其放置于真实地理环境中，实现预演工后效果功能，文献中模型考虑了地形走向给出桥梁的三维模型的效果图。文献中没有考虑温度场模型，无法分析季节冻土区铁路路基在不同季节、不同列车荷载下路基振动反应。

与非季节冻土地区不同，季节冻土区铁路路基经受随季节变化的周期性冻融循环作用，使路基土物理性质、水理性质和力学性能均发生改变，加之列车载荷长期反复振动双重作用，使得路基长期变形稳定性与强度稳定性大幅降低，路基的冻胀与融沉、翻浆病害日益突出，不仅给新路建设和旧路维护带来很大困难，而且也对线路正常运营与行车安全构成极大威胁，业已成为制约我国寒区轨道交通重载化与高速化战略实施的一个重要瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于python注释器的参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，以解决目前有限元建模主要通过人工GUI操作进行，铁路路基无限元边界建模涉及到无限单元扫掠方向性，给人工建模带来巨大工作量，效率很低的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种参数化建立季节冻土区铁路路基振动反应三维数值模型的方法，所述方法用于构建铁路路基有限单元为规则六面体网格单元，且边界为无限单元的数值模型，所述方法的实现过程为：

步骤S1、确定需要分析的铁路路基的几何尺寸，进行参数化设定以确定铁路路基几何尺寸，建立包括轨枕、道床、路基、场地的铁路路基三维几何模型，并对铁路路基三维几何模型进行体的剖分以便于网格划分；

设置铁路路基几何尺寸参数包括：

道砟厚度

设置路堤高度：包括分别设置基床表层厚度、基床底层厚度和路基底层厚度

设置路基宽度，

设置路堤坡度：可分别设置两侧路堤坡度，

场地宽度，

场地深度，

场地长度，通过定义轨枕数量实现；

步骤S2、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料热参数与热边界条件，并进行网格划分生成铁路路基温度场数值模型；

步骤S3、由铁路路基温度场数值模型进行温度场计算，提取铁路路基温度场计算结果；通过提取某一时刻路基温度场作为铁路路基振动反应数值模型初始场变量，实现模拟季节冻土区铁路路基在春季、夏季、秋季和冬季列车行驶引起的振动响应；

步骤S4、基于步骤S1生成的铁路路基三维几何模型，通过输入模型各层材料力学参数与力学边界条件，并进行网格划分生成铁路路基振动反应数值模型，铁路路基温度场数值模型与铁路路基振动反应数值模型网格划分需完全相同；将步骤S3所输出某一时刻温度场作为初始场变量，施加列车行驶引起各轨枕力时程作为载荷输入，计算该时刻列车行驶引起铁路路基振动反应；

步骤S5、输出典型节点及单元的应力、应变、振动加速度、速度、位移；

步骤S6、根据步骤S5对季节冻土区铁路路基振动反应特性及影响因素进行分析。

本发明的有益效果是：