[发明专利]铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法

说明书

本发明提供一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，在指定细颗粒、道砟子模型区域，建立细颗粒、道砟子模型，设置周期边界将细颗粒模型导入道砟子模型。利用颗粒删除法生成了近似全空隙填充的细颗粒‑道砟子模型。借助子模型组合法将细颗粒‑道砟子模型组装成道砟箱模型，利用颗粒等质量替换法进行沙粒粒径敏感性分析，确定合理的细颗粒粒径模拟尺寸。借助邻近网格填充法、子模型组合法生成了不同细颗粒含量的道床离散元模型。利用3个球体构建不同圆度的不规则细颗粒模板，利用中心坐标颗粒替换法，生成含有不规则细颗粒的道床模型。本发明通过自编fish语言函数实现了三维空间含细颗粒的铁路道床快速建模和道砟空隙的快速填充。

技术领域

本发明涉及铁路颗粒流数值模拟技术领域，涉及一整套细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的离散元模型快速生成方法，特别是涉及一种细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的多尺度分析模型快速构建方法。

背景技术

沙漠铁路以及运煤专线等在实际运营过程中一直面临着细颗粒的危害。这是由于细颗粒(沙粒)不断侵入道床，填充道砟空隙，改变了原有的道床颗粒组分，从而引起了一系列工务病害，如造成道床失去弹性、轨枕伤损、轨道结构刚度增大、轮轨接触区动力响应变大、车轮磨耗加剧、道床养护维修困难等。这些病害轻则降低了轨道结构的使用性和耐久性，重则使轨道不平顺加剧，影响行车的平稳性和安全性。因此，为保障列车的正常运营，需深入研究细颗粒(沙粒)侵入对轨道结构宏细观力学特性的影响，这对风沙区铁路道床养护维修作业有着重大的意义。

目前针对细颗粒侵入道床的力学特性研究，仅仅停留在室内静力试验的宏观特征上，现场试验鲜有报道。许多学者利用有限元法来模拟含有细颗粒(沙粒)道床，存在明显不足，不能反映颗粒之间的细观接触特性；已有的含细颗粒(沙粒)的道床模型大多采用二维模型，不能反映复杂列车荷载作用下，道床的三维空间动态力学特性；虽有三维离散元含细颗粒(沙)道床模型，但都是基于道砟箱或桶状试验，与现场运营情况有较大差别，而且在模拟过程中将细颗粒(沙粒)粒径直接放大10倍，忽略了细颗粒(沙粒)尺寸对模型计算结果的影响。此外，含有细颗粒(沙粒)道床多尺度效应显著，细颗粒(沙粒)与道砟粒径相差悬殊，且颗粒数目成百上千万，建立三维离散元模型存在细颗粒(沙粒)悬浮和模型难以平衡的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，目的是提供了细颗粒材料侵入铁路道床道砟空隙的多尺度分析模型快速构建方法，解决现有技术的中还没有完整的含有细颗粒的道床离散元模型构建方法的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

铁路道床道砟侵入物多尺度分析模型快速构建的方法，包括：

构建沙粒试样边界墙体，将沙粒粒径进行放大处理生成沙粒，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得沙粒子模型；

建立道砟试样边界墙体，通过图像识别方法提取道砟复杂的几何特征，赋予接触参数和平衡条件，设置周期边界，获得道砟子模型；

对该沙粒子模型和道砟子模型进行叠加处理，缩小沙粒粒径，删除与道砟颗粒重叠的沙粒，然后恢复沙粒粒径，设置周期边界，获得沙粒-道砟子模型；

建立道砟箱模型墙体边界，将沙粒-道砟子模型进行拼装组合，导入轨枕子模型，设定平衡条件，删除多余颗粒，获得沙粒粒径敏感性分析模型；

基于沙粒粒径敏感性分析模型，利用等质量颗粒替换方法，不断减小沙粒粒径，获得沙粒模拟尺寸；

基于道砟子模型，结合沙粒模拟尺寸，指定初始含沙量，填充沙粒，设置平衡条件及周期性边界，获得初始含沙量子模型；通过模型组合法进一步获得初始含沙量道床整体模型，并导入轨枕子模型进行拼装及模型平衡，获得初始含沙量的轨枕-道床离散元模型；