[发明专利]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

摘要

本发明公开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，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。具体步骤包括：简化铁路路面路基结构；提取结构的几何参数；对路面路基结构分别赋予材料属性和单元属性；设置结构的边界条件；模拟循环轨道荷载作用；运算模型，进行后处理。本发明通过对铁路路面路基的实际结构进行简化，建立了多层铁路路面路基结构的三维有限元模型，对安定理论得到的多层铁路路面路基结构安定极限进行了验证，可为铁路路面路基的设计提供有益的参考。

主权项

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：(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；(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；(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c_p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；(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；(5)施加外荷载：将安定理论计算所得到安定极限荷载λ_sdp₀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；(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。