[发明专利]高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元-离散元耦合评估方法

说明书

本发明提供了高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元‑离散元耦合评估方法，方法包括：获取车辆‑无砟轨道‑饱和路基系统动力有限元模型的初始水力梯度；计算第n‑1步孔隙率以及基床表层离散元模型的形变；调整车辆‑无砟轨道‑饱和路基系统动力有限元模型的底座板和基床表层接触参数、渗透系数，并计算第n步水力梯度；YADE软件计算n+1孔隙率以及基床表层离散元模型的形变；根据有限元模型的轨道路基等宏观响应参数判别孔隙率变化是否超出阈值并获取基床表层细颗粒损失动态全过程。本发明准确反映底座板与基床表层接触状况，获取基床翻浆冒泥病害细观过程，并将宏观与细观进行耦合评估，有助于高铁运营预警，保障行车安全。

技术领域

本发明涉及铁路工程计算机辅助设计技术领域，特别是高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元-离散元耦合评估方法。

背景技术

我国高速铁路多年运营实践表明，由于前期不重视基床表层水稳定性功能、路基防排水设计不完善，在长期降雨、气候和列车高周频冲击动荷载反复作用下，路基基床处于应力场与水分渗流场耦合影响中，且级配碎石填料为粒径大小不均的散粒材料，无砟轨道路基已不可避免地出现基床翻浆病害。虽然目前基床表层翻浆冒泥病害不致影响安全运营，但已成为我国高铁路基领域内迫切需要解决的问题。

针对土体内部渗蚀问题的研究，在很多领域已经有了比较显著的成果。但是对于铁路工程中细颗粒迁移动态发展问题，由于试验和有限元方法难以精确追踪和量化细颗粒迁移过程，阻碍了基床翻浆冒泥病害细观研究的进展。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元-离散元耦合评估方法。

本发明的技术解决方案是：

为了解决上述技术问题，本发明提供了高铁无砟轨道基床表层渗蚀有限元-离散元耦合评估方法，包括：

通过COMSOL创建车辆-无砟轨道-饱和路基系统动力有限元模型，通过YADE软件创建基床表层离散元模型；

运行JAVA接口建立TCP连接python和COMSOL，YADE软件通过读取python脚本建立和修改基床表层离散元模型；

获取车辆-无砟轨道-饱和路基系统动力有限元模型的初始水力梯度；

将初始水力梯度导入基床表层离散元模型作为边界条件，计算所述基床表层离散元模型的第n-1步孔隙率以及基床表层离散元模型的形变，其中，第n-1步为第n次迭代的前一次，n为COMSOL和YADE软件之间传输数据进行计算的次数；且n为大于2的自然数；

读取第n-1步孔隙率以及所述基床表层离散元模型的外轮廓的几何尺寸；

统计YADE软件中基床表层离散元模型的脱空面积S1，YADE软件将所述第n-1步孔隙率以及所述基床表层离散元模型的外轮廓的几何尺寸发送至COMSOL；

COMSOL依据第n-1步孔隙率以及所述基床表层离散元模型的外轮廓的几何尺寸，通过N＝S1/S2确定脱空率N，其中，S2为基床表层离散元模型的基床表层上表面面积；

根据脱空率N，调整接触功能中增广拉格朗日算法的惩罚因子；

根据上述n-1步孔隙率，COMSOL中按照输入的Kozenv-Garman公式计算车辆-无砟轨道-饱和路基系统动力有限元模型模型的渗透参数，

根据输入的Biot饱和土体u-P动力流固耦合方程，求得更新的第n步孔隙水压力和水力梯度，其中，u为土体颗粒位移，P为孔隙水压力，其中，所述渗透参数与所述Biot饱和土体u-P动力流固耦合方程关联；

将第n步水力梯度通过JAVA接口传递至python脚本，YADE软件读取python脚本，调整水力梯度计算n+1步孔隙率以及基床表层离散元模型的形变，由此完成一个数据相互迭代传输循环计算过程；