专利名称：车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统及其动力分析方法
技术领域：
本发明涉及一种基于车辆-轨道-桥梁-地基基础空间耦合模型的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的动力分析方法，属于铁道工程应用计算与设计技术领域。
背景技术：
既有线路的列车提速、新建客运专线以及高速铁路由于车速较高，为满足行车安全性和乘坐舒适性的要求，相关设计规范中对轨道平顺性以及轨下结构的刚度要求较高；同时从环保、节约土地、场地土条件、地形等方面考虑，中国、法国、德国以及日本等高速轨道交通发达的国家往往在客运专线和高速铁路线路中大量采用高架桥作为轨道的下部结构。以我国近年投入使用的京深港客运专线、郑西客运专线以及京沪客运专线为例，桥梁在整个线路里程中平均所占比例为73%，部分路段最高达到87%以上。相比于传统的路基轨道而言，由于桥梁结构具有较高的刚度，在线路平顺度控制、沉降控制方面都有着较高的优势，故而在以往的研究分析中，大都是采用车辆-轨道-桥梁耦合系统进行动力分析。这种分析方法以基础刚性假定为前提，对于I类、II类场地土而言，由于场地土较硬，采用基础刚性假定不失为一种简便有效的分析方法。但对于穿越深厚软弱土层的桥梁结构而言，场地土往往属于III类或者IV类场地土，地基地基对桥墩的约束无法满足刚性假定，需要考虑基础柔性对上部结构动力响应的影响，因此需要建立车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的动力分析。在车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合振动研究中，由于既要考虑复杂的轮轨接触关系，又要能够反映车辆、轨道、桥梁、地基基础的振动特性，传统研究仅限于车-线-桥耦合系统振动研究，而且限于无法克服的内存和计算效率问题，对轨道、桥梁结构都进行了较多的简化。如常见的车辆动力学软件SIMPACK、NUCARS等，可以容易地实现车辆结构的多体动力学建模，而且自带轮轨接触模块，但是难以细致地对道岔和桥梁进行模拟。而目前的通用有限元计算软件如ANSYS，MARC, DYNIA等软件，虽然擅长对轨道和桥梁等结构进行细致的有限元模拟，但是很难同时进行车辆结构的多刚体动力学建模，且无法直接对轮轨接触关系进行模拟。自编专用计算程序虽然可以实现多体和有限元的混合建模，但单元种类有限，很难对结构细部进行模拟，且往往建模工作繁重。随着我国高速铁路的快速发展，为准确、可靠、快速地对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统进行动力学特性评估，要求一种操作简便、细致完备、快速高效、能够准确反映耦合系统动力学特性的建模及分析方法。因此，研究一种新型的一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统及其动力分析方法已成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，基于MATLAB软件(MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。)提供一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法。本发明方法针对自编程序和商业软件的特点，利用MATLAB自编程序模块来完成车辆结构的建模和轮轨之间的动力接触模拟，利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成轨道结构、桥梁结构和地基基础的建模以及轨道-桥梁之间的动力相互作用和桥梁-地基基础之间的动力相互作用模拟，再利用自主开发的接口和控制程序TRBF-DYNA实现MATLAB模块和ANSYS模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行耦合求解技术以及迭代技术控制求解精度。机读编目格式标准(英语:MAchine-ReadableCataloging,缩写:MARC),是一种图书管理的通讯格式标准,用以让图书馆或出版商之间作目录信息交换用途。LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。TRBF-DYNA是基于matlab平台上开发的控制软件，是一个控制模块，用于调用其他的各个模块。本发明的技术方案是:一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:包括车辆结构模型、轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型以及桥梁和地基之间的土 -结构动力相互作用模型，TRBF-DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块，前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土 -结构动力相互作用模型和地基基础模型，求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟，后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。优选地，MATLAB前处理模块主要用来构建车辆动力学方程和根据输入的轨道谱生成轨道不平顺样本点；通用有限元模块根据轨道参数、线桥动力相互作用模型、桥梁结构参数、土-结构动力相互作用模型以及地基基础参数构建轨道-桥梁-地基基础有限元模型，并导出有限元模型质量、刚度、阻尼和边界条件参数。优选地，MATLAB轮轨力计算模块主要是根据轮轨接触状态计算轮轨接触点处的接触力以及接触运动状态;MATLAB车辆系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解车辆系统动力方程;MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解轨道-桥梁-地基基础系统动力方程。优选地，MATLAB计算数据存储及图形处理模块用来显示计算过程中车辆实时动画、轮轨接触状态、轨道-桥梁-地基基础系统的实时动画以及计算完成后对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析数据进行存储，并显示动力时程曲线。优选地，车辆结构模型采用刚体动力学建模的多自由度车辆结构模型，或者采用考虑车体各部件柔性的多自由度有限元模型；轨道结构模型为有砟轨道模型或者无砟轨道模型，其中钢轨采用标准的50kg钢轨、60kg钢轨，或者采用自定义的任意形状钢轨；桥梁结构模型采用型钢-混凝土组合梁桥模型、钢筋混凝土简支梁桥模型、钢筋混凝土连续梁桥模型、钢筋混凝土拱桥模型、钢筋混凝土悬索桥模型、钢筋混凝土斜拉桥模型、钢箱简支梁模型、钢箱拱桥模型、钢箱悬索桥模型或者钢箱斜拉桥模型；地基基础模型采用桩基-土体模型或者天然基础-土体模型；轮轨动力接触模型采用不考虑轮轨分离的密贴接触模型、考虑轮轨分离的单点接触模型或者考虑轮轨分离的多点接触模型；车辆结构模型和所述轮轨动力接触模型采用MATLAB模块完成；轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、线桥动力相互作用模型和土-结构动力相互作用模型采用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)完成；在上述建模工作的基础上，接口和控制程序TRBF-DYNA通过MATLAB模块和通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)实现车辆、轨道、桥梁和地基基础之间的相互连接和耦合求解。本发明另一技术方案是:一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于，包括:车辆结构建模:利用MATLAB模块来完成车辆结构的建模，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；轨道不平顺样本曲线:利用MATLAB模块来完成轨道不平顺样本曲线生成，可以生成轨道竖向不平顺、横向不平顺、方向不平顺、高低不平顺、轨距不平顺样本曲线；轨道结构建模:利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成轨道结构的建模，求解后得到钢轨结构和轨道板结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标；桥梁结构建模:利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成桥梁结构的建模，求解后得到桥梁结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标；地基基础建模:利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成地基基础的建模，求解后得到地基基础的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标；耦合求解:在上述建模工作的基础上，分析轮轨之间的动力相互作用、轨道与桥梁之间的动力相互作用、桥梁与地基基础之间的动力相互作用，利用相应接口和控制程序TRBF-DYNA模块实现MATLAB模块和通用有限元模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行耦合求解技术以及迭代技术控制求解精度。优选地，车辆结构建模中，车辆采用刚体动力学建模，将车体、转向架、轮对看成刚体，由振动车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征，以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车结构的模拟；根据所分析问题的复杂程度，车辆可以忽略其中某些自由度，形成简化的车辆分析模型。优选地，车辆结构建模中，对车辆的车体、转向架、轮对采用实际尺寸和材料属性建模，考虑动力荷载作用下车辆各个部分的柔性变形，其中车体采用板单元建模、转向架采用梁单元建模、轮对采用板单元建模。优选地，轨道不平顺样本曲线中，根据轨道谱生成的模拟轨道不平顺样本曲线，或者用户根据实测输入的样本曲线。优选地，轨道结构建模中，钢轨采用空间梁单元按实际截面属性进行建模；扣件采用弹簧-阻尼单元进行建模；轨下橡胶垫板采用弹簧阻尼单元建模；对于有砟轨道，轨枕采用空间梁单元模拟，道床采用Winkler地基模拟；对于无砟轨道，轨道板采用空间板单元模拟，轨道板下支撑采用弹簧-阻尼单元模拟。优选地，桥梁结构建模中，根据桥梁结构的力学特性，对桥梁结构进行合理简化，采用板单元、梁单元、弹簧-阻尼器单元和杆单元混合建模的方式模拟桥梁结构的各个不同结构构件。优选地，地基基础建模中，桩基采用空间梁单元模拟，土体采用三维实体单元模拟。优选地，地基基础建模中，根据地基基础的动力阻抗，采用弹簧-阻尼器分别模拟地基基础对桥梁结构中桥墩底部的约束，地基基础对桥梁结构中桥墩底部的约束包括水平动力阻抗、竖向动力阻抗和转动动力阻抗；如果场地土足够刚性，可以忽略地基基础动力阻抗，对桥墩底部实施刚性约束。优选地，耦合求解中，轨道与桥梁之间的动力相互作用是指根据不同的连接形式确定相应的刚度和阻尼参数，通过弹簧-阻尼单元进行模拟。优选地，在耦合求解中，轮轨之间的动力相互作用以轮轨动力接触的方式体现，对轨面和踏面形状进行离散，采用空间迹线法确定轮轨空间接触几何关系，采用全轮廓搜索法确定轮轨踏面接触点，从而满足动态轮轨接触复杂性要求。 优选地，在耦合求解中，系统矩阵组装为车辆系统矩阵组装或者轨道-桥梁-地基基础系统组装；车辆系统组装是先根据确定车辆各个自由度的刚度和阻尼系数，进而根据弹性势能原理采用对号入座法则组装每节车的刚度矩阵，进而根据车辆系统中每节车的位置，组成车辆系统矩阵。优选地，在所述耦合求解中，数据存储控制是指根据计算机的内存大小以及车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的模型复杂程度，选择用全矩阵导入和全矩阵存储方式，或者选择用全矩阵导入和稀疏矩阵存储方式，或者选择用稀疏矩阵导入和稀疏矩阵存储；可以根据所关心问题的需要，对计算结果全部存储，也可以选择部分数据进行存储。优选地，在耦合求解中，并行耦合求解技术是指利用并行技术，在每一步计算过程中将轮轨动力接触计算平均分配到计算机CPU的每一个内核进行并行计算，提高计算效率。优选地，在耦合求解中，迭代技术控制求解精度是指通过设定位移和力的收敛准贝1J，在每一步计算完成后，比对车辆系统和轨道-桥梁-地基基础耦合系统之间位移、轮轨作用力是否满足收敛准则确定是否结束当前计算步的耦合计算。优选地，在耦合求解中，基于刚体动力学的车辆模型全部由MATLAB模块生成，MATLAB模块包含了车辆结构建模所需的全部信息，所述车辆结构建模所需的全部信息包括车辆结构自由度的分配以及车辆各个部分的质量、刚度和阻尼参数；所述的考虑车辆各部分柔性特征的车辆模型由通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)生成并导出质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵数据，由编制的MATLAB接口程序读入数据，通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)包含了车辆结构建模所需的全部信息包括自由度的分配、车体、转向架、轮对、一系悬挂系统的质量、二系悬挂系统的质量、刚度、阻尼、弹性模量和构件尺寸参数。优选地，在耦合求解中，通用有限元模块包含了轨道结构、桥梁结构和地基基础结构建模所需的全部信息，轨道结构、桥梁结构和地基基础建模所需的信息包括自由度的分配以及各子结构的质量、刚度、阻尼、弹性模量和构件尺寸参数。优选地，在耦合求解中，接口和控制程序TRBF-DYNA通过MATLAB模块和通用有限元模块完成车辆和轨道的耦合，判断轮轨相对位置，确定轮轨接触状态，计算轮轨相互作用力，并对所组成的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统进行迭代求解，从而得到系统各部分的动力响应。优选地，在耦合求解中，通过轮轨关系将车辆模型和轨道-桥梁-地基基础模型耦合形成车辆-桥梁-地基基础耦合系统动力方程，在MATLAB模块中采用隐式数值积分和显式数值积分相结合的方式求解耦合系统动力方程。本发明的有益技术效果是:1、本发明提出一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，基于MATLAB软件(MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。)提供一种车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法。本发明方法针对自编程序和商业软件的特点，利用MATLAB自编程序模块来完成车辆结构的建模和轮轨之间的动力接触模拟，利用通用有限元软件模块(可以是Marc模块、LS-DYNA模块、ANSYS模块等)来完成轨道结构、桥梁结构和地基基础的建模以及轨道-桥梁之间的动力相互作用和桥梁-地基基础之间的动力相互作用模拟，再利用自主开发的接口和控制程序TRBF-DYNA实现MATLAB模块和ANSYS模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行耦合求解技术以及迭代技术控制求解精度。2、本发明提供了一种准确有效的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其采用自编程序和商业软件相结合的方法，既充分考虑轮轨之间复杂的接触关系，又尽量按实际状态完成对轨道结构、桥梁结构和地基基础的建模，充分保证了模型的细致、完整、准确，相对传统建模方法具有明显的改进。根据本发明的建模方法将自编程序、商业软件两者建模手段巧妙结合，即可以发挥自编程序建模较为灵活、易于扩展和再开发的优势，又可以充分发挥通用有限元在结构建模上细致、准确快速的特点，十分便于车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合体系的建模分析，具有很高的理论价值和商业推广前景。
图1车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的结构示意图。图2准确有效的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法的结构示意图。图3车辆计算模型示意图。图4根据美国六级轨道不平顺谱生成的轨道竖向不平顺样本点曲线图。图5根据美国六级轨道不平顺谱生成的轨道横向不平顺样本点曲线图。图6车体横向振动加速度图示。图7车体竖向振动加速度图示。图8动车左轮脱轨系数图示。图9动车右轮脱轨系数图示。图10拖车左轮脱轨系数图示。
图11拖车右轮脱轨系数图示。图12动车前转向架横向位移图示。图13动车前转向架竖向位移图示。图14动车后转向架横向位移图示。图15动车后转向架竖向位移图示。图16动车第一轮对横向位移图不。图17动车第一轮对竖向位移图不。图18动车第一轮对侧滚角位移图示。图19动车第一轮对摇头角图示。图20动车第一轮对左轨横向力图不。图21动车第一轮对左轨竖向力图示。图22动车第一轮对右轨横向力图示。图23动车第一轮对右轨垂向力图示。图24拖车第一轮对左轨横向力图示。图25拖车第一轮对左轨垂向力图示。图26拖车第一轮对右轨横向力图不。图27拖车第一轮对右轨竖向力图示。图28钢轨竖向振动位移图示。图29钢轨横向振动位移图示。图30钢轨竖向振动加速度图示。图31钢轨横向振动加速度图示。图32桥梁跨中节点竖向振动位移图示。图33桥梁跨中节点横向振动位移图示。图34桥梁跨中节点竖向振动加速度图示。图35桥梁跨中节点横向振动加速度图示。图36墩顶竖向振动加速度图示。图37墩顶横向振动加速度图示。图38基础竖向振动加速度图示。图39基础横向振动加速度图示。
具体实施例方式下面将结合具体实施例，参照附图对本发明做进一步说明。图1是本发明实施例车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的结构示意图，如图1所示，车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统包括车辆结构模型、轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型以及桥梁和地基之间的土 -结构动力相互作用模型，TRBF-DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块，前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土 -结构动力相互作用模型和地基基础模型，求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟，后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。图2是本发明实施例一种准确有效的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法的结构示意图。本实施例以列车以250km/h速度匀速直线通过京沪高速铁路上一座两跨标准32m简支箱梁为例，对该方法进行介绍。车辆采用ICE3车辆参数，其中动车车辆参数为:车辆全长m，定距17.375m，轴距2.5m，车体质量48t，构架质量3.2t，轮对质量2.4t ;拖车车车辆参数为:车辆全长m，定距17.375m,轴距2.5m,车体质量44t，构架质量2.4t，轮对质量2.4t。钢轨为标准60kg钢轨，扣件刚度5.5Mn/m,轨下垫块刚度6.3Mn/m,轨道板厚0.3m,板下支撑刚度21Gpa/m。桥梁为标准32m简支梁，梁体采用C50混凝土。采用圆端形实体墩，墩高15m。地基土体剪切波速为350m/s。考虑竖向及横向轨道不平顺，根据德国低干扰谱，采用三角级数法生成竖向及横向轨道不平顺样本点。根据本发明进行车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统建模，过程如图1所示。在车辆结构建模中，针对车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征，以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车模型的模拟；在轨道结构建模中，钢轨采用空间梁单元按实际截面属性进行建模；扣件采用弹簧-阻尼单元进行建模；轨下橡胶垫板采用弹簧阻尼单元建模；无砟轨道板采用空间板单元模拟，轨道板下支撑采用弹簧-阻尼单元模拟。在桥梁结构建模中，根据桥梁结构的力学特性，对桥梁结构进行合理简化，采用变截面空间梁单元模拟桥梁结构。在地基基础建模中，可以根据地基基础的动力阻抗，采用弹簧-阻尼器分别模拟地基基础对桥梁结构中桥墩底部的约束，包括:水平动力阻抗、竖向动力阻抗和转动动力阻抗。根据本实施例的方法可以得到车辆、轨道结构、桥梁以及地基基础各部分的振动加速度、动位移等动力响应；可以得到轮轨垂向作用力、轮轨横向作用力等动力响应；可以得到脱轨系数、轮重减载率、车体加速度等行车安全、舒适性指标。主要计算结果如图3至图38所示。图3是车辆计算模型示意图，如图3所示，车体下设置有两组转向架，转向架由构架和轮对组成，论对下与轮轨接触，车体与构架之间为第一系悬挂，构架与轮轨之间为第二系悬挂。图4是本发明实施例根据美国六级轨道不平顺谱生成的轨道竖向不平顺样本点曲线图。图5是本发明实施例根据美国六级轨道不平顺谱生成的轨道横向不平顺样本点曲线图。图6是车体横向振动加速度图示。图7是车体竖向振动加速度图示。图8是动车左轮脱轨系数图示。图9是动车右轮脱轨系数图示。图10是拖车左轮脱轨系数图示。图11是拖车右轮脱轨系数图示。图12是动车前转向架横向位移图示。图13是动车前转向架竖向位移图示。图14是动车后转向架横向位移图示。图15是动车后转向架竖向位移图不。图16是动车第一轮对横向位移图不。图17是动车第一轮对竖向位移图示。图18是动车第一轮对侧滚角位移图示。图19是动车第一轮对摇头角图示。图20是动车第一轮对左轨横向力图示。图21是动车第一轮对左轨竖向力图示。图22是动车第一轮对右轨横向力图示。图23是动车第一轮对右轨垂向力图示。图24是拖车第一轮对左轨横向力图示。图25是拖车第一轮对左轨垂向力图示。图26是拖车第一轮对右轨横向力图示。图27是拖车第一轮对右轨竖向力图示。图28是钢轨竖向振动位移图示。图29是钢轨横向振动位移图示。图30是钢轨竖向振动加速度图示。图31是钢轨横向振动加速度图示。图32是桥梁跨中节点竖向振动位移图示。图33是桥梁跨中节点横向振动位移图示。图34是桥梁跨中节点竖向振动加速度图示。图35是桥梁跨中节点横向振动加速度图示。图36是墩顶竖向振动加速度图示。图37是墩顶横向振动加速度图示。图38是基础竖向振动加速度图示。图39是基础横向振动加速度图示。
权利要求
1.车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:包括车辆结构模型模块、轨道结构模型模块、桥梁结构模型模块、地基基础模型模块、车轮和轨道钢轨之间的轮轨动力接触模型模块、轨道和桥梁之间的线桥动力相互作用模型模块以及桥梁和地基之间的土-结构动力相互作用模型模块，TRBF-DYNA控制模块控制前处理模块、求解模块和后处理模块， 其中所述前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，所述轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土 -结构动力相互作用模型和地基基础模型； 所述求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，所述MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟； 所述后处理模块由MATLA B计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。
2.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB前处理模块主要用来构建车辆动力学方程和根据输入的轨道谱生成轨道不平顺样本点；所述通用有限元模块根据轨道参数、线桥动力相互作用模型、桥梁结构参数、土 -结构动力相互作用模型以及地基基础参数构建轨道-桥梁-地基基础有限元模型，并导出有限元模型质量、刚度、阻尼和边界条件参数。
3.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB轮轨力计算模块主要是根据轮轨接触状态计算轮轨接触点处的接触力以及接触运动状态；所述MATLAB车辆系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解车辆系统动力方程；所述MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块首先读取轮轨接触力和接触运动状态，并把其作为外力和边界条件求解轨道-桥梁-地基基础系统动力方程。
4.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述MATLAB计算数据存储及图形处理模块用来显示计算过程中车辆实时动画、轮轨接触状态、轨道-桥梁-地基基础系统的实时动画以及计算完成后对车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析数据进行存储，并显示动力时程曲线。
5.根据权利要求1所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，其特征在于:所述车辆结构模型采用刚体动力学建模的多自由度车辆结构模型，或者采用考虑车体各部件柔性的多自由度有限元模型； 所述轨道结构模型为有砟轨道模型或者无砟轨道模型，其中钢轨采用标准的50kg钢轨、60kg钢轨，或者采用自定义的任意形状钢轨； 所述桥梁结构模型采用型钢-混凝土组合梁桥模型、钢筋混凝土简支梁桥模型、钢筋混凝土连续梁桥模型、钢筋混凝土拱桥模型、钢筋混凝土悬索桥模型、钢筋混凝土斜拉桥模型、钢箱简支梁模型、钢箱拱桥模型、钢箱悬索桥模型或者钢箱斜拉桥模型； 所述地基基础模型采用桩基-土体模型或者天然基础-土体模型； 所述轮轨动力接触模型采用不考虑轮轨分离的密贴接触模型、考虑轮轨分离的单点接触模型或者考虑轮轨分离的多点接触模型；所述车辆结构模型和所述轮轨动力接触模型采用MATLAB模块完成；轨道结构模型、桥梁结构模型、地基基础模型、线桥动力相互作用模型和土 -结构动力相互作用模型采用通用有限元软件模块完成；在上述建模工作的基础上，接口和控制程序TRBF-DYNA通过MATLAB模块和通用有限元软件模块实现车辆、轨道、桥梁和地基基础之间的相互连接和耦合求解。
6.应用于权利要求1所述系统上的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:包括: 车辆结构建模:利 用MATLAB模块来完成车辆结构的建模，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； 轨道不平顺样本曲线:利用MATLAB模块来完成轨道不平顺样本曲线生成，可以生成轨道竖向不平顺、横向不平顺、方向不平顺、高低不平顺、轨距不平顺样本曲线； 轨道结构建模:利用通用有限元软件模块来完成轨道结构的建模，求解后得到钢轨结构和轨道板结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 桥梁结构建模:利用通用有限元软件模块来完成桥梁结构的建模，求解后得到桥梁结构的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 地基基础建模:利用通用有限元软件模块来完成地基基础的建模，求解后得到地基基础的振动加速度、速度、动位移三种关键动力学指标； 耦合求解:在上述建模工作的基础上，分析轮轨之间的动力相互作用、轨道与桥梁之间的动力相互作用、桥梁与地基基础之间的动力相互作用，利用相应接口和控制程序TRBF-DYNA模块实现MATLAB模块和通用有限元模块的连接、系统矩阵组装、数据存储控制、并行耦合求解技术以及迭代技术控制求解精度。
7.根据权利要求6所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:车辆结构建模中，车辆采用刚体动力学建模，将车体、转向架、轮对看成刚体，由振动车体和前后转向架的沉浮、点头、横移、侧滚和摇头运动特征，以及每一轮对的沉浮、横移、侧滚和摇头运动特征进行整车结构的模拟；根据所分析问题的复杂程度，车辆可以忽略其中某些自由度，形成简化的车辆分析模型。
8.根据权利要求6所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:车辆结构建模中，对车辆的车体、转向架、轮对采用实际尺寸和材料属性建模，考虑动力荷载作用下车辆各个部分的柔性变形，其中车体采用板单元建模、转向架采用梁单元建模、轮对采用板单元建模。
9.根据权利要求6所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:所述轨道不平顺样本曲线中，根据轨道谱生成的模拟轨道不平顺样本曲线，或者用户根据实测输入的样本曲线。
10.根据权利要求6所述的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统动力分析方法，其特征在于:轨道结构建模中，钢轨采用空间梁单元按实际截面属性进行建模；扣件采用弹簧-阻尼单元进行建模；轨下橡胶垫板采用弹簧阻尼单元建模；对于有砟轨道，轨枕采用空间梁单元模拟，道床采用Winkler地基模拟；对于无砟轨道，轨道板采用空间板单元模拟，轨道板下支撑采用弹簧-阻尼单元模拟；或者所述桥梁结构建模中，根据桥梁结构的力学特性，对桥梁结构进行合理简化，采用板单元、梁单元、弹簧-阻尼器单元和杆单元混合建模的方式模拟桥梁结构的各个不同结构构件；或者所述地基基础建模中，桩基采用空间梁单元模拟，土体采用三维实体单元模拟；或者所述地基基础建模中，根据地基基础的动力阻抗，采用弹簧-阻尼器分别模拟地基基础对桥梁结构中桥墩底部的约束，地基基础对桥梁结构中桥墩底部的约束包括水平动力阻抗、竖向动力阻抗和转动动力阻抗；如果场地土足够刚性，可以忽略地基基础动力阻抗，对桥墩底部实施刚性约束；或者耦合求解中，轨道与桥梁之间的动力相互作用是指根据不同的连接形式确定相应的刚度和阻尼参数，通过弹簧-阻尼单元进行模拟；或者在耦合求解中，轮轨之间的动力相互作用以轮轨动力接触的方式体现，对轨面和踏面形状进行离散，采用空间迹线法确定轮轨空间接触几何关系，采用全轮廓搜索法确定轮轨踏面接触点，从而满足动态轮轨接触复杂性要求；或者在耦合求解中，系统矩阵组装为车辆系统矩阵组装或者轨道-桥梁-地基基础系统组装；车辆系统组装是先根据确定车辆各个自由度的刚度和阻尼系数，进而根据弹性势能原理采用对号入座法则组装每节车的刚度矩阵，最后根据车辆系统中每节车的位置，组成车辆系统矩阵；或者在所述耦合求解中，数据存储控制是指根据计算机的内存大小以及车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统的模型复杂程度，选择用全矩阵导入和全矩阵存储方式，或者选择用全矩阵导入和稀疏矩阵存储方式，或者选择用稀疏矩阵导入和稀疏矩阵存储；对计算结果可全部存储，也可选择部分数据进行存储；或者在耦合求解中，并行耦合求解技术是指利用并行技术，在每一步计算过程中将轮轨动力接触计算平均分配到计算机CPU的每一个内核进行并行计算，提高计算效率；或者在耦合求解中，迭代技术控制求解精度是指通过设定位移和力的收敛准则，在每一步计算完成后，比对车辆系统和轨道-桥梁-地基基础耦合系统之间位移、轮轨作用力是否满足收敛准则确定是否结束当前计算步的耦合计算；或者在耦合求解中，基于刚体动力学的车辆模型全部由MATLAB模块生成，MATLAB模块包含了车辆结构建模所需的全部信息，所述车辆结构建模所需的全部信息包括车辆结构自由度的分配以及车辆各个部分的质量、刚度和阻尼参数；所述的考虑车辆各部分柔性特征的车辆模型由通用有限元软件模块生成并导出质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵数据，由编制的MATLAB接口程序读入数据，通用有限元软件模块包含了车辆结构建模所需的全部信息包括自由度的分配、车体、转向架、轮对、一系悬挂系统的质量、二系悬挂系统的质量、刚度、阻尼、弹性模量和构件尺寸参数；或者在耦合求解中，通用有限元模块包含了轨道结构、桥梁结构和地基基础结构建模所需的全部信息，轨道结构、桥梁结构和地基基础建模所需的信息包括自由度的分配以及各子结构的质 量、刚度、阻尼、弹性模量和构件尺寸参数；或者在耦合求解中，接口和控制程序TRBF-DYNA通过MATLAB模块和通用有限元模块完成车辆和轨道的耦合，判断轮轨相对位置，确定轮轨接触状态，计算轮轨相互作用力，并对所组成的车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统进行迭代求解，从而得到系统各部分的动力响应；或者在耦合求解中，通过轮轨关系将车辆模型和轨道-桥梁-地基基础模型耦合形成车辆-桥梁-地基基础耦合系统动力方程，在MATLAB模块中采用隐式数值积分和显式数值积分相结合的方式求解耦合系统动力方程。
全文摘要
车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统，前处理模块由MATLAB车辆结构模块和MATLAB轨道不平顺样本曲线模块来实现，轨道-桥梁-地基基础模块是基于通用有限元软件来实现，所述轨道-桥梁-地基基础模块包含有轨道结构模型、线桥动力相互作用模型、桥梁结构模型、土-结构动力相互作用模型和地基基础模型；所述求解模块由MATLAB轮轨动力接触计算模块、MATLAB车辆系统动力计算模块和MATLAB轨道-桥梁-地基基础系统动力计算模块来实现，所述MATLAB轮轨动力接触计算模块由轨道动力接触模型来模拟；所述后处理模块由MATLAB计算数据储存及图形处理模块来实现，形成车辆-轨道-桥梁-地基基础耦合系统。
文档编号G06F17/50GK103150458SQ20131011150
公开日2013年6月12日 申请日期2013年4月1日 优先权日2013年4月1日
发明者朱志辉 申请人:中南大学, 高速铁路建造技术国家工程实验室