一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元验证方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路工程计算机辅助设计技术领域，特别涉及一种多层铁路路基结构 安定性分析的三维有限元验证方法。
【背景技术】
[0002] 铁路具有速度快，运输量大等特点，因此铁路运输在现代运输中所占的比例越来 越高。当前，铁路路面分析方法和设计理论大多数都是以弹性理论和经验方法为基础。而 实际上，在车辆荷载作用下，路面结构主要表现为塑性变形。这就使以弹性理论为基础的铁 路路面材料的强度和变形特性得不到正确的反映。因此，采用更加合理的弹塑性理论方法 分析和考虑铁路在移动循环荷载作用下的变形破坏特征是目前铁路研究的一个重要方向。 [0003] 安定理论是考虑弹塑性结果在循环荷载作用下变形和破坏特性的一个基本理论， 它最早被应用于金属体在荷载和温度场共同作用下的塑性变形特性研究领域。将安定理论 引入到路面结构的研究中已经取得了显著的成果。然而，由于计算路面结构在移动作用下 的自平衡残余应力场的复杂性，在理论分析中通常对结构材料进行一定的简化，如理想弹 塑性材料、小变形理论、忽略与时间相关的因素（如速度敏感性、蠕变等）等，因此理论计算 所得的安定极限荷载不一定能使结构处于安定状态，进而对将安定性分析理论应用于铁路 路面结构的分析与设计中起到了限制性作用。根据安定理论的定义，本发明采用ABAQUS有 限元软件建立完整的三维有限元模型，通过分析循环动荷载作用下结构中残余应力和残余 应变场随循环次数的作用规律，判断在施加安定理论计算所得的动循环荷载作用下结构是 否处于安定状态，将对安定理论应用于铁路路面设计研究产生了积极的推动作用。
【发明内容】
[0004] 发明目的：本发明针对现有研究的不足，提供了一种多层铁路路基结构安定性分 析的三维有限元验证方法。
[0005] 技术方案：本发明提供了一种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元验证方 法。其特征在于，该方法采用ABAQUS有限元软件，在轨道表面施加大小等于安定理论计算 的多层铁路路基结构安定极限的动循环荷载，通过分析结构残余应力场随荷载循环次数的 关系，验证在该荷载作用下铁路结构是否处于安定状态。具体包括以下步骤：
[0006] (1)结构简化：根据铁路路面路基结构设计施工的CAD图纸，忽略对结构影响较小 的构件，把铁路路面路基结构简化为由轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和路堤组 成的简化结构，并提取这些结构的几何参数和各种材料的材料参数；
[0007] (2)建立有限元模型：根据已提取的轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和 路堤的厚度，长度和宽度等几何尺寸建立包含轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基床底层和 路堤的完整的三维有限元模型。为充分考虑结构的边界条件，减小所施加的荷载对计算结 构的影响，铁路路基结构模拟为半径为2r的半无限空间结构，并将外层厚度为r的路基结 构模拟为无限元单元。
[0008] (3)赋予材料参数和单元属性：轨道和轨枕采用Von-Mises屈服准则，基床表层、 基床底层和路堤采用Mohr-Coulomb屈服准则，轨下垫板采用具有一定刚度系数k p和阻尼 系数Cp的弹簧/阻尼单元，并输入由（1)所得的材料参数。轨道、轨枕和模型中心区域的基 床表层、基床底层、路堤采用8节点1次减缩实体单元（C3D8R)模拟，外层区域的基床表层、 基床底层、路堤采用三维无限元实体单元（CIN3D8)模拟。网格划分前应以划分均匀合格的 有限元网格为准则对几何模型进行整理，并进行网格尺寸敏感性分析，以确定同时满足计 算精度和计算效率的最优网格划分方式。
[0009] (4)设置所建立模型的边界条件：根据铁路路面实际情况，约束轨道、轨枕、基床 表层、基床底层和路堤的水平位移，模型的底部进行固定约束（采用无限单元模拟的区域 无需定义边界条件）。
[0010] (5)施加外荷载：将安定理论计算所得到安定极限荷载λ sd P。作为三维HertZ荷 载的最大压应力，通过DLOAD子程序循环施加于轨道表面，模拟循环荷载作用。
[0011] (6)运算模型，分析计算得到的结构残余应力与残余应变的分布，判断在安定极限 荷载作用下结构是否进入安定状态，若残余应力和残余应变经过有限次的循环荷载次数作 用而趋于稳定，则结构处于安定状态；反之，结构不安定。
[0012] 有益效果：由于安定极限的理论分析方法存在一定的假设条件，因此不能保证所 得的结果是否能使结构处于安定状态。本发明基于ABAQUS有限元软件，将理论计算得到的 安定极限荷载作为动循环荷载施加于轨道表面，进而通过分析在多次循环荷载作用下结构 中残余应力场合残余应变场的分布规律及发展变化。验证在该荷载作用下铁路结构是否处 于安定状态。本发明在建模中将铁路路面路基简化为由轨道、轨下垫板、轨枕、基床表层、基 床底层和路堤组成的简化结构，并提取其几何参数，建立ABAQUS有限元模型，利用DLOAD子 程序模拟Hertz荷载的循环作用，从而得到铁路路面路基结构中残余应力和应变场。该发 明模拟了三维铁路路面路基的完整结构，采用了无限元单元模拟了路基的实际半无限空间 特性，不仅能较为真实的反应路面结构的弹塑性变形特性，而且能够给出较为准确的路面 结构在荷载作用下的应力场，对所需结果的后处理比较方便，较易在铁路路面结构的安定 性设计和计算分析中推广使用。
【附图说明】：
[0013] 图1为本发明方法的流程图；
[0014] 图2为本发明建模方法具体的几何模型和网格划分示意图；
[0015] 图3为轨道、轨下垫层和轨枕细部网格划分图；
[0016] 图4为三维Hertz荷载示意图；
[0017] 图5为当λ sd p。= 755MPa时铁路路基结构中残余应力分布与动循环荷载作用次 数的关系；
[0018] 图6为λ sd p。= 770MPa时铁路路基结构中残余应力分布与动循环荷载作用次数 的关系；
[0019] 图7为当λ sd p。= 755MPa时铁路路基结构中残余应变分布与动循环荷载作用次 数的关系；
[0020] 图8为λ sd p。= 770MPa时铁路路基结构中残余应变分布与动循环荷载作用次数 的关系；
[0021] 图中，1为轨道、2为轨枕、3为采用弹簧/阻尼单元模拟的轨下垫层、4为采用 CIN3D8单元模拟的基床表层、5为采用CIN3D8单元模拟的基床底层、6为采用CIN3D8单元 模拟的路堤、7为采用C3D8R单元模拟的基床表层、8为采用C3D8R单元模拟的基床底层、9 为采用C3D8R单元模拟的路堤。
【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。本发明的保护范围并不仅仅局限 于本实施方式的描述。
[0023] -种多层铁路路基结构安定性分析的三维有限元验证方法，其特征在于，该方法 采用ABAQUS有限元软件，在轨道表面施加大小等于安定理论计算的多层铁路路基结构安 定极限的动循环荷载，通过分析结构残余应力场随荷载循环次数的关系，验证在该荷载作 用下铁路结构是否处于安定状态。如图1所示，具体包括以下步骤：
[0024] (1)结构简化：根据铁路路面层设计施工的CAD图纸，忽略对结构影响较小的构 件，将铁路路面简化为由轨道1、轨枕2、轨下垫层3、基床表层4和7、基床底层5和8、路堤6 和9组成的简化结构，并提取这些结构的几何参数（表1)和各种材料的材料参