基于离散元-有限元耦合法的有砟铁路结构动力特性分析及试验验证

摘要

铁路是我国交通运输的主要途径之一，随着列车的速度以及载重量的不断增加，对铁路路基的承载能力提出越来越高的要求。研究铁路道床的动力特性以及稳定性对铁路运输安全具有重大意义。由于有砟铁路结构的组成成分多样化，同时包含连续和非连续结构，给数值模拟带来很大困难。为此，发展针对铁路道床结构的数值方法势在必行。
　　基于离散颗粒集合体模型的离散单元法(DEM)在模拟颗粒材料的力学行为中表现出独特的优势，能够有效地捕捉颗粒材料的细观力学信息，例如颗粒间接触力、力链分布、孔隙率以及颗粒不规则形状等。然而，由于离散单元法过多地考虑细观力学信息，导致其计算效率不高。在分析大规模工程问题时，其计算费用往往难以承受。
　　基于宏观连续体模型发展的有限单元法(FEM)在计算效率上具有离散单元法不可比拟的优势。首先有限单元法所需求解的控制方程个数远少于离散单元法的控制方程个数，其次有限单元法采用的计算时间步长可以远大于离散单元法计算所要求的临界时间步长。然而基于宏观连续体模型的有限单元法不能模拟颗粒材料细观非连续性破坏过程以及揭示颗粒材料的细观力学机理。
　　为充分发挥离散元方法和有限元方法各自优势，离散元-有限元耦合法应运而生。铁路道床是一种非常复杂的结构体系，其中既包含散体材料，又包括连续体材料，是离散元-有限元耦合方法很好的应用方向。为研究铁路铁路道床的动力特性，将针对轨道结构的几何和材料特性，建立铁路道砟的离散元方法，发展散体道砟颗粒与轨道中连续体结构相互作用的DEM-FEM耦合方法，并由此开展道床动力沉降、土工格栅对道床结构的加固效果、有砟-无砟过渡段动力响应等方面的数值分析和试验验证。本文的主要研究工作如下:
　　(1)建立适用于分析铁路有砟轨道动力特性的离散元-有限元耦合模型
　　针对轨道结构中，散粒体道砟、连续体轨枕和路基并存的结构特点，建立有砟铁路结构的离散元-有限元耦合模型，并依据接触面上的能量守恒原理确定两种介质之间的接触力，并实现离散单元与有限单元区域间力学参数的传递。在进行两种单元间的接触搜索时，通过计算有限元耦合节点处的形函数值及耦合点处的相对位移，实现离散元法和有限元法的耦合。为检验有砟铁路结构DEM-FEM耦合方法的可靠性和计算精度，设计道砟材料的直剪试验。在直剪试验中，对不同法向应力下道砟材料的剪切强度进行试验测试。采用试验中的道砟材料和装置结构参数，对直剪试验进行DEM-FEM数值分析，通过与试验结果的对比来检验数值模型的合理性。
　　(2)整体有砟铁路结构在交通荷载下的动力特性及其产生不均匀沉降的细观力学机理分析
　　对道砟颗粒和路基结构分别采用离散元方法和有限元法进行建模，对往复荷载下有砟铁路结构的有效弹性和动力沉降过程进行离散元-有限元耦合分析，确定引起轨道总沉降量的主要因素。采用镶嵌单元构造道砟颗粒单元模型，采用三维弹性和弹塑性有限元方法分别建立路堤和地基的连续介质模型，并在此基础上建立道砟、路堤和地基的DEM-FEM耦合方法;依据实测和文献资料分别建立列车在高速、重载下的动力荷载，确定合理的荷载幅值和频率，并作为外荷载施加到以上铁路道床的计算模型中。通过分析道砟颗粒间力链的分布规律，探讨道砟材料对列车往复荷载的减振缓冲性能。此外，通过分析高速、重载条件下材料参数对地基力学行为的影响，确定路基中塑性大变形区域的稳定性，评估铁路地基的承载能力和整体稳定性。
　　(3)土工格栅加强下有砟铁路结构的数值分析及试验验证
　　对道砟颗粒和土工格栅结构分别采用离散元和有限元方法进行建模，对土工格栅加固后有砟铁路结构的动力特性进行离散元-有限元耦合分析。对在道砟中布置土工格栅的加固效果，可采用DEM-FEM耦合方法进行数值分析和试验验证。通过在细观尺度下道砟颗粒与土工格栅的接触作用，揭示土工格栅在提高道床稳定性方面的内在机理。通过在有、无土工格栅条件下道床动力特性的DEM-FEM计算，对比分析道床的沉降量、道床侧向位移和竖向位移的变化规律以及道床有效刚度的差异，评估土工格栅的加固效果。通过对比分析有、无格栅条件下道砟材料的直剪试验以及数值结果验证数值计算的准确性。
　　(4)道砟胶在有砟-无砟过渡段沉降平稳过渡中的作用
　　有砟-无砟过渡段结构形式的差异导致轨道整体刚度的显著差异。采用离散元-有限元耦合模型对有砟-无砟过渡段道床的动力特性进行数值分析，重点研究两类道床结合界面上力学参数的对应关系和计算方法;考虑实际工程中过渡段颗粒材料的胶结处理方式，发展具有胶结特性的道砟离散元模型;在此基础上重点分析有砟-无砟界面附近道床沉降量的变化规律，研究过渡区域道床非均匀沉降的内在机理。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 有砟铁路结构离散单元法研究现状

1．2．2 有砟铁路结构有限单元法研究现状

1．2．3 铁路工程中离散元-有限元耦合法研究现状

1．3 本文主要工作

2 有砟铁路道床道砟颗粒离散单元法的模型及理论基础

2．1 形状不规则道砟颗粒的离散元模型

2．2 道砟离散单元接触搜索算法

2．3 道砟离散单元的接触模型

2．4 镶嵌单元的求解方法及其数值稳定性

2．5 颗粒材料应力和应变度量

2．5．1 颗粒材料应力场的细观分析

2．5．2 颗粒材料应变场的细观分析

2．6 连续岩土边坡的离散元模拟

2．7 本章小结

3 铁路道床中的弹塑性有限元模型

3．1 铁路基础的材料非线性有限元法

3．1．1 小变形弹塑性问题的有限单元法

3．1．2 小变形弹塑性问题的动力求解

3．1．3 准静态及动载荷作用下岩土边坡的稳定性

3．2 本章小结

4 有砟铁路结构动力特性分析的离散元-有限元耦合分析

4．1 同种介质材料破碎问题

4．2 连续与非连续材料间的相互作用

4．2．1 离散元与梁单元耦合算法

4．2．2 离散元与实体单元耦合算法

4．3 列车载荷作用下有砟铁路结构动力特性分析

4．4 本章小结

5 土工格栅加强下有砟铁路道床动力特性分析

5．1 土工格栅加筋有砟铁路道床的数值模型

5．2 道砟直剪试验及结果分析

5．3 土工格栅对有砟铁路道床加固作用的DEM-FEM耦合分析

5．4 道砟材料剪切强度试验研究

5．4．1 道砟材料直接剪切试验

5．4．2 土工格栅加固作用对大粒径颗粒材料剪切强度影响

5．5 本章小结

6 道砟胶加固后有砟-无砟过渡段沉降分析

6．1 有砟-无砟过渡段的数值模型

6．2 有砟-无砟过渡段沉降分析

6．3 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介