【EDEM应用放送】基于EDEM仿真的铁路有砟轨道研究进展

2019-07-18 18:06发布

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基于EDEM仿真的铁路有砟轨道研究进展


西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

铁路的轨道结构形式可分为无砟轨道和有砟轨道两大类（如图1图2所示）。随着无砟轨道运营经验的累积，我国铁路部门普遍认识到无砟轨道养护维修困难的特点，一旦灾害发生，高速铁路的正常运营将会受到较大影响。有砟轨道作为一种传统轨道结构形式，具有建设成本低、建设周期短、自动化及机械化维修效率高、维修时间短等优点。我国是世界上高速铁路在建规模最大、运营里程最长的国家，尽管我国新建运营速度在250km/h以上的高铁广泛使用无砟轨道结构，但在大型桥梁、高架车站等特殊地段仍主要采用有砟轨道结构。

为进一步强化碎石道床的稳定性能，降低、减少碎石道床病害的发生，为养护维修提供科学依据，因此有必要对有砟道床的散体力学行为做深入研究。西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室（以下简称“我室”）采用DEM方法与现场实测，对有砟道床的性能做了初步探索。


图1  轨道结构形式 —— 无砟轨道


图2 轨道结构形式 —— 有砟轨道

我室自研道床周期性动态阻力测试装置，利用该装置对道床阻力-位移滞回曲线特征进行分析（如图3，图4所示），并利用PIV粒子图像测速法对往复扰动荷载下道床性能退化特征进行观察（如图5所示）[1][2]。


图3 道床纵向阻力测试 —— 道床周期性动态阻力测试装置 


图4 道床纵向阻力测试 —— 道床阻力滞回曲线 


图5 PIV法及道砟颗粒位移矢量场分布

结论如下：

道床的弹性、塑性及能量耗散能力等受循环位移幅值的影响较大；



滞回环面积随循环荷载周次的总体变化不大，周期性荷载下散粒体道床处于相对稳定的耗能状态；



随着位移幅值的增加，道床的塑性流动性、粘滞性可能会提高其能量耗散能力

在较小位移幅值下，道床处于相对稳定的耗能状态，在经历一定的循环周次后，相比初始加载状态，道砟颗粒发生微小的移动；



在较大位移幅值下，道砟颗粒存在明显的翻转、移动变化，道床状态出现松散、重构的趋势，在滞回曲线中散粒体道床试验曲线表现出了循环软化特性。多个循环荷载周期作用下，道床阻力衰减特性（如图6所示）。


图6 循环周数下阻力衰减特性

研究时还发现，几乎所有桥上有砟轨道病害均与碎石道床稳定性及列车、桥梁等产生的低频振动有着密切的联系。因此，我室从轨枕振动、地震作用方面研究桥上碎石道床的稳定性问题。

利用MBD软件，建立柔性的标准60钢轨，并将中国高速谱输入其中，列车运行速度为250km/h。利用EDEM与MBD软件耦合仿真可分析列车经过时，由EDEM所建立的颗粒离散元碎石道床的稳定特性（如图7所示）[3]。

结果表明：

过车时，颗粒的整体流动状态并不明显，但跟轨枕接触的道砟局部流动现象显著；



过车时，轨枕下方的道砟逐渐出现松动，轨枕在重力作用下在松动的道床中出现不同程度、不同方向的滑移，而随着动荷载的持续，松动的道砟重新被压实；



过车时，在动荷载作用下道床中的道砟始终处于“磨合”过程，道砟颗粒发生较大的平动、转动，不断重新排列；

过车时，短时间动荷载作用在碎石道床上，使道床进一步被压实，道床的均匀性较之前也有所提高。


图7 EDEM-多体动力学耦合模型

利用EDEM软件的API接口，编程将El-Centro地震波时程输入到颗粒离散元碎石道床模型底部。地震作用下，道床颗粒的流动情况如图8所示[3][4]。


图8 地震作用下道砟流动情况

结果表明：

地震时，道砟颗粒发生明显的流动现象，与轨枕接触的地方其流动速度最大；



地震时，轨枕的位移变化剧烈（如图9至图11所示），道床垂向稳定性能产生了极大影响， 承载能力降低；



地震时，道砟与道砟之间、 道砟与轨枕之间的接触数量均呈现出先磨合后平稳的现象；

地震时，地震对碎石道床的密实程度造成了较大的破坏；纵向阻力比地震前显著降低，2mm处的纵向阻力值为10.99kN，已不满足规范的要求。

图9 轨枕位移 —— 轨枕横向位移


图10 轨枕位移 —— 轨枕纵向位移


图11 轨枕位移 —— 轨枕垂向位移


发表文献

[1]肖杰灵,刘浩,刘淦中,王源,王平.高速铁路有砟道床纵向阻力滞回曲线特征及规律研究[J].铁道学报,2018,40(02):91-99.

[2]Hao Liu,Jieling Xiao,Ping Wang,Ganzhong Liu,Mingyuan Gao,Shaozheng Li. Experimental investigation of the characteristics of a granular ballast bed under cyclic longitudinal loading[J]. Construction and Building Materials,2018,163.

[3]刘淦中. 基于离散元方法的桥上碎石道床动力稳定性研究[D].西南交通大学,2018.

[4]Ping Wang, Hao Liu, Xiankui Wei. Shaking table testing and numerical modeling of continuous welded ballast track on bridges under longitudinal seismic loading[J]. Journal of Vibroengineering, 19.5 (2017).


版权所属：

西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室

研  究  者：

博  士：刘    浩     刘淦中

硕  士：韦安祺     李    朋     李少铮 

             刘鉴兴     戴佳程     李敏一

指导教师：

教    授：王    平

副教授：肖杰灵


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