[发明专利]一种高速铁路钢轨型面优化设计方法

权利要求书

1.一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述方法包括，

步骤1：目标型面参数分解；步骤2：建立钢轨型面数据库；步骤3：建立仿真分析模型；步骤4：计算分析；步骤5：安全性评估；步骤6：轮轨系统性能评估；步骤7：钢轨打磨经济性评估和步骤8：最优钢轨型面择选。

2.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述步骤1：目标型面参数分解主要从钢轨型面几何参数和钢轨服役条件两方面对待优化设计目标型面的基础数据进行分析归纳：

钢轨型面几何参数，

依据线路钢轨型面测试数据、光带分布情况，基于轮轨接触理论，定性分析明确轮轨主要接触部位，确定钢轨型面几何关键区域及其圆弧半径；

钢轨服役条件，

包括线路参数、车辆参数及车轮型面等，其中，线路参数为优化设计目标所属高速铁路的曲线、道岔、坡道、轨道几何平顺性等参数，车辆参数和车轮型面包括服役于该线路的所有类型高速动车组车辆参数和车轮型面。

3.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述建立钢轨型面数据库是以控制单一变量为原则，以一定步长分别改变钢轨型面几何关键区域圆弧长度和半径，不同区域圆弧利用相切关系连接以保证不同区域圆弧连接部位平滑过渡，获得不同几何参数的钢轨型面；

将钢轨型面及其几何特征参数数据(包括圆弧位置、圆弧半径及圆弧长度)一一对应建立钢轨型面数据库。

4.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述建立仿真分析模型包括高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型和轮轨接触有限元模型，其中，

高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型基于多体动力学理论和轮轨接触理论，输入线路参数、车辆参数及轮轨型面，建立高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型：车辆系统动力学模型由1个车体、2个构架、4个轮对、8个轴箱、一系悬挂系统和二系悬挂系统组成，考虑车辆主要结构部件的弹性模态及悬挂系统阻尼器的非线性；轨道系统动力学模型由钢轨、轨道板、路基及扣件组成，

动力学模型还需预留车轮型面、钢轨型面、曲线参数及线路不平顺等数据输入接口；

轮轨接触有限元模型基于有限单元法和弹塑性力学理论，利用有限元分析软件，导入车轮型面和钢轨型面几何数据，对轮轨部件进行网格划分，且对轮轨接触部位网格进行精细化处理，建立轮轨接触有限元模型，并预留轮轨载荷数据输入接口。

5.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述计算分析调用步骤2中建立的钢轨型面数据库内不同几何参数的钢轨型面，输入到步骤3中建立的高速动车组车辆-轨道耦合系统动力学模型中，利用动力学计算得到不同几何参数钢轨型面对应的安全性、轮轨接触特性、车辆运行性能及钢轨服役性能等各项指标，并将动力学结果输入到步骤3中建立的轮轨接触有限元模型中，计算得到不同几何参数的钢轨型面对应的轮轨接触应力分布状态，

具体计算结果为：

安全性指标：脱轨系数、轮重减载率、轮轨作用力、轮轴横向力；

轮轨接触特性指标：轮轨接触点分布、锥度、轮径差和接触刚度；

车辆运行性能指标：转向架横向振动加速度(时域和频域特征)、车体横向位移(时域和频域特征)、车体振动加速度(时域和频域特征)、平稳性指标和舒适性指标；

钢轨服役性能指标：磨耗指数、表面疲劳指数、接触应力及轮轨接触范围，

所有计算分析结果均将输入到后续优化评估功能模块，以综合评估选出最优钢轨型面。

6.根据权利要求1所述的一种高速铁路钢轨型面优化设计方法，其特征在于，所述安全性评估将安全性指标(脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、轮轨垂向作用力)作为顶层指标，依据《高速铁路工程动态验收技术规范》(TB10716-2013)要求，脱轨系数应小于0.8；轮轨减载率应小于0.65(准静态)和0.8(动态)；轮轴横向力应小于10+轴重载荷/3(单位：kN)；轮轨垂向作用力应小于170kN，

若安全性指标计算结果不满足安全性限值要求则该钢轨型面不再进行后续评估，若满足安全性限值要求则进行轮轨系统性能和打磨经济性评估。