專利名稱：一種橋上無縫道岔結構體系及其動力分析方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于車輛-道岔-橋梁空間耦合模型的橋上無縫道岔結構體系的
動力分析方法，屬于鐵道工程應用計算與設計技術領域。
背景技術：
新建客運專線、高速鐵路由于采用全封閉行車模式、線路平縱面參數(shù)限制嚴格以 及軌道平順性要求高，橋梁所占比例明顯增大。受到環(huán)保、地形和地質等條件的限制，一些 客運專線、高速鐵路車站需要采用高架形式，這樣就會有相當數(shù)量的道岔必須設置在高架 橋上，如鄭西客運專線新渭南車站、哈大客運專線四平車站以及京滬高速鐵路無錫、蘇州車 站等。由于將道岔所有的接頭進行焊連、形成無縫道岔體系是提高道岔及部件使用壽命、提 高列車的安全平穩(wěn)性、降低振動與噪聲等的重要措施之一，因此客運專線、高速鐵路高架車 站上的道岔必須焊連成無縫道岔，這就形成了橋上無縫道岔結構系統(tǒng)。 建立科學合理的橋上無縫道岔動力分析模型，對橋上無縫道岔系統(tǒng)進行動力分 析，是高速鐵路橋上無縫道岔理論研究中的重點和難點之一。由于橋上無縫道岔必須滿足 高速列車安全平穩(wěn)運行、無縫道岔結構本身的正常安全使用、橋梁結構合理受力等多方面 需要，橋上無縫道岔系統(tǒng)不僅綜合了橋上無縫線路、一般無縫道岔以及大跨度橋梁的技術 特點，而且衍生出一系列新的技術難點。與路基上的普通道岔及一般橋上無縫線路相比，橋 上無縫道岔的力學特性更加復雜，這就對其設計、鋪設與維護等諸方面都提出了更嚴格的 要求。目前，國內(nèi)外橋上無縫道岔的應用技術還很缺乏，尤其表現(xiàn)在橋上無縫道岔梁軌相互 作用機理、動力學特性變化規(guī)律等方面，橋上無縫道岔技術已經(jīng)成為亟待解決的關鍵問題 之一。 由于既要考慮岔區(qū)復雜的輪軌接觸關系，又要反映道岔、橋梁的振動特性，傳統(tǒng)方 法往往采用自編程序的建模方法，對道岔和橋梁結構都進行了較多的簡化。新建高速鐵路 及客運專線橋上無縫道岔的應用及其動力學特性的評估，要求一種操作簡便，細致完備，能 夠準確反映橋上無縫道岔空間動力學特性的建模及分析方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服橋上無縫道岔結構體系現(xiàn)有動力分析方法中存在的問題，本發(fā)明的目的 在于，提供一種基于車輛-道岔-橋梁空間耦合模型的橋上無縫道岔系統(tǒng)動力分析方法。本 發(fā)明方法針對自編程序和商業(yè)軟件的特點，利用FORTRAN自編程序模塊來完成車輛結構的 建模和車岔之間動力相互作用的模擬，利用ANSYS軟件模塊來完成道岔、橋梁結構的建模 以及道岔與橋梁之間動力相互作用的模擬，再利用自主開發(fā)的接口和控制程序F0RSYS實 現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模塊的連接和耦合求解。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方 案是 —種橋上無縫道岔結構體系，其包括車輛結構模型、道岔結構模型、橋梁結構模 型；以及車輛結構和道岔結構之間的車岔作用模型、道岔和橋梁之間的岔橋作用模型；其中，所述道岔結構模型包括有砟軌道道岔模型和無砟軌道道岔模型，所述橋梁結構包括簡 支梁橋模型和連續(xù)梁橋模型。 所述車輛結構模型和車岔之間的動力相互作用模型采用自編程序FORTRAN模塊 完成；所述道岔結構模型和所述橋梁結構模型以及道岔與橋梁之間的動力相互作用模型采 用ANSYS模塊完成；在上述建模工作的基礎上，所述接口和控制程序FORSYS通過FORTRAN 模塊和ANSYS模塊實現(xiàn)車輛、道岔和橋梁之間的相互連接和耦合求解。
—種橋上無縫道岔結構體系的動力分析方法，其包括 車輛結構建模其利用FORTRAN自編程序模塊來完成車輛結構的建模，求解后得
到車體加速度、輪軌作用力、脫軌系數(shù)以及輪重減載率四種關鍵動力學指標； 道岔結構建模利用ANSYS軟件模塊來完成道岔結構的建模，求解后得到鋼軌結
構和軌道板結構的振動加速度、動位移兩種關鍵動力學指標； 橋梁結構建模利用ANSYS軟件模塊來完成橋梁結構的建模，求解后得到橋梁結 構的振動加速度、動位移兩種關鍵動力學指標；以及， 耦合求解在上述建模工作的基礎上，分析車岔之間的動力相互作用以及道岔與 橋梁之間的動力相互作用，利用接口和控制程序模塊FORSYS通過FORTRAN模塊和ANSYS模 塊實現(xiàn)車輛、道岔和橋梁相互之間的連接和耦合求解。 所述車輛結構建模中，針對車體和前后轉向架的沉浮、點頭、橫移、側滾和搖頭運 動特征，以及每一輪對的沉浮、橫移、側滾和搖頭運動特征進行整車模型的模擬；鋼軌按實 際截面屬性進行建模，區(qū)間鋼軌采用等截面空間梁模擬，尖軌和心軌部位采用變截面空間 梁模擬；扣件采用彈簧_阻尼單元進行模擬。 所述道岔結構建模中，對于有砟軌道無縫道岔，岔枕采用空間梁單元模擬；對于無 砟軌道無縫道岔，軌道板采用空間板單元模擬；岔枕或軌道板下的支承采用彈簧_阻尼單 元來模擬。 所述道岔結構建模中，根據(jù)道岔結構的力學特性進行道岔結構建模，所述道岔結 構的力學特征包括間隔鐵與頂鐵之間的非線性作用；尖軌與基本軌之間的非線性作用； 心軌與翼軌之間的非線性作用；尖軌與滑床臺之間的非線性作用；以及，心軌與滑床臺之 間的非線性作用。 所述橋梁結構建模中，根據(jù)橋梁結構的力學特性，對橋梁結構進行合理簡化，采用 空間變截面梁單元進行模擬。 在所述耦合求解中，所述車岔之間的動力相互作用以輪軌接觸的方式體現(xiàn)，對軌 面和踏面形狀進行離散，用跡線法動態(tài)確定輪軌空間接觸幾何關系，從而滿足岔區(qū)輪軌接 觸的復雜性要求。 在所述耦合求解中，所述道岔與橋梁之間的動力相互作用是指，根據(jù)不同的連接 型式確定相應的剛度和阻尼參數(shù)，通過彈簧_阻尼單元進行模擬。 在所述耦合求解中，所述FORTRAN模塊包含了車輛結構建模所需要的全部信息， 所述車輛結構建模所需要的全部信息包括車輛結構自由度的分配以及車輛各部分的質 量、剛度和阻尼參數(shù)；所述ANSYS模塊包含了道岔結構和橋梁結構建模需要的信息，所述道 岔結構和橋梁結構建模需要的信息包括自由度的分配以及各子結構的質量、剛度和阻尼 參數(shù)。
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在所述耦合求解中，所述接口和控制程序F0RSYS通過所述FORTRAN模塊和所述 ANSYS模塊完成車輛和道岔的耦合，判斷車岔相對位置，確定輪軌接觸狀態(tài)，計算輪軌相互 作用力，并對所組成的車輛_道岔_橋梁空間耦合系統(tǒng)進行求解，從而得到系統(tǒng)各部分的動 力響應。 所述道岔包括有砟軌道道岔和無砟軌道道岔，所述橋梁包括簡支梁橋和連續(xù)梁 橋。 本發(fā)明的有益效果 該發(fā)明提供了一種準確有效的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其采用自編 程序和商業(yè)軟件相結合的方法，既充分考慮岔區(qū)復雜的輪軌接觸關系，又盡量按實際狀態(tài) 完成對道岔和橋梁結構的建模，充分保證了模型的細致、完整、準確，相對傳統(tǒng)建模方法具 有明顯的改進。根據(jù)本發(fā)明的建模方法將自編程序、商業(yè)軟件兩者建模手段巧妙結合，既可 以發(fā)揮自編程序建模較為靈活、易于擴展和再開發(fā)的優(yōu)勢，又可以充分發(fā)揮商業(yè)軟件在結 構建模上細致、準確、快速的特點，十分便于橋上無縫道岔系統(tǒng)的建模分析，具有很高的理 論價值和商業(yè)推廣前景。


圖1為橋上無縫道岔結構體系建模過程示意圖； 圖2為車輛計算模型圖示； 圖3為輪軌垂向力圖示； 圖4為輪軌橫向力圖示； 圖5為脫軌系數(shù)圖示； 圖6為輪重減載率圖示； 圖7為車體橫向加速度圖示； 圖8為轉向架橫向加速度圖示； 圖9為鋼軌垂向加速度圖示； 圖10為軌道板垂向加速度圖示； 圖11為軌道板橫向加速度圖示； 圖12為軌道板垂向位移圖示； 圖13為軌道板橫向位移圖示； 圖14為橋梁垂向加速度圖示； 圖15為橋梁橫向加速度圖示； 圖16為橋梁垂向位移圖示； 圖17為橋梁橫向位移圖示。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述 實施例1 :本發(fā)明實現(xiàn)一種橋上無縫道岔結構體系的動力分析方法。在本實施例 中，基于空間耦合模型對橋上無縫道岔結構體系進行動力分析。橋上無縫道岔結構體系包 括車輛結構模型、道岔結構模型、橋梁結構模型；以及車輛結構和道岔結構之間的車岔作用模型、道岔和橋梁之間的岔橋作用模型。 所述車輛結構模型和車岔之間的動力相互作用模型采用自編程序FORTRAN模塊 完成；所述道岔結構模型和所述橋梁結構模型以及道岔與橋梁之間的動力相互作用模型采 用ANSYS模塊完成；在上述建模工作的基礎上，接口和控制程序FORSYS通過FORTRAN模塊 和ANSYS模塊實現(xiàn)車輛、道岔和橋梁之間的相互連接和耦合求解。
本實施例實現(xiàn)的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法包括 車輛結構建模其利用FORTRAN自編程序模塊來完成車輛結構的建模，求解后得
到車體加速度、輪軌作用力、脫軌系數(shù)以及輪重減載率四種關鍵動力學指標； 道岔結構建模利用ANSYS軟件模塊來完成道岔結構的建模，求解后得到鋼軌結
構和軌道板結構的振動加速度、動位移兩種關鍵動力學指標； 橋梁結構建模利用ANSYS軟件模塊來完成橋梁結構的建模，求解后得到橋梁結 構的振動加速度、動位移兩種關鍵動力學指標；以及， 耦合求解在上述建模工作的基礎上，分析車岔之間的動力相互作用以及道岔與 橋梁之間的動力相互作用，利用相應接口和控制程序FORSYS實現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模 塊的連接和耦合求解。 本實施例以列車以350km/h速度直向通過客運專線橋上18號無砟軌道無縫道 岔為例，對該方法進行介紹。車輛采用國產(chǎn)動車組CRH3車輛參數(shù)，車輛全長26. 3m，定距 17. 375m，軸距2. 5m，車體質量40t，構架質量3. 2t，輪對質量2. 4t。道岔位于30. 7+48+30. 7 連續(xù)梁上，道岔布置圖如圖6所示。軌道板厚0.3m，板下支承剛度為21GPa/m。橋梁為連續(xù) 梁，梁體采用C40混凝土。根據(jù)本發(fā)明進行橋上無縫道岔結構體系建模，過程如圖1所示。
在車輛結構建模中，針對車體和前后轉向架的沉浮、點頭、橫移、側滾和搖頭運動 特征，以及每一輪對的沉浮、橫移、側滾和搖頭運動特征進行整車模型的模擬；鋼軌按實際 截面屬性進行建模，區(qū)間鋼軌采用等截面空間梁模擬，尖軌和心軌部位采用變截面空間梁 模擬；扣件采用彈簧_阻尼單元進行模擬。 在道岔結構建模中，對于有砟軌道無縫道岔，岔枕采用空間梁單元模擬；對于無砟 軌道無縫道岔，軌道板采用空間板單元模擬；岔枕或軌道板下的支承采用彈簧_阻尼單元 來模擬。根據(jù)道岔結構的力學特性進行道岔結構建模，這些力學特征包括間隔鐵與頂鐵之 間的非線性作用；尖軌與基本軌之間的非線性作用；心軌與翼軌之間的非線性作用；尖軌 與滑床臺之間的非線性作用；以及，心軌與滑床臺之間的非線性作用。 在橋梁結構建模中，根據(jù)橋梁結構的力學特性，對橋梁結構進行合理簡化，采用空 間變截面梁單元進行模擬。 根據(jù)本實施例的方法可以得到車輛、道岔及橋梁各部分的振動加速度、動位移等
動力響應；可以得到輪軌垂向作用力、輪軌橫向作用力等動力響應；可以得到脫軌系數(shù)、減 載率、車體加速度等行車安全、舒適性指標。主要計算結果如圖3至圖17所示。 在耦合求解中，車岔之間的動力相互作用以輪軌接觸的方式體現(xiàn)，對軌面和踏面 形狀進行離散，用跡線法動態(tài)確定輪軌空間接觸幾何關系，從而滿足岔區(qū)輪軌接觸的復雜 性要求；道岔與橋梁之間的動力相互作用可根據(jù)不同的連接型式確定相應的剛度和阻尼參 數(shù)，通過彈簧_阻尼單元進行模擬。 FORTRAN模塊包含了車輛結構建模所需要的全部信息，具體包括車輛結構自由
7度的分配以及車輛各部分的質量、剛度和阻尼參數(shù)；ANSYS模塊包含了道岔結構和橋梁結 構建模需要的信息，具體包括自由度的分配以及各子結構的質量、剛度和阻尼參數(shù)。接口 和控制程序F0RSYS通過FORTRAN模塊和ANSYS模塊完成車輛和道岔的耦合，判斷車岔相對 位置，確定輪軌接觸狀態(tài)，計算輪軌相互作用力，并對所組成的車輛_道岔_橋梁空間耦合 系統(tǒng)進行求解，從而得到系統(tǒng)各部分的動力響應。輪軌垂向力、橫向力如圖3和圖4所示， 可以看出，列車通過轍叉區(qū)時比通過轉轍區(qū)時輪軌力要大，這是由于心軌處存在著較大的 結構不平順造成的。 脫軌系數(shù)和輪重減載率最大為O. 12、0.55，滿足相關規(guī)范規(guī)定的脫軌系數(shù)小于
0. 80、輪重減載率小于0. 60的要求。脫軌系數(shù)和輪重減載率如圖5和圖6所示。 列車直向過岔時車體和轉向架的橫向加速度分別為O. 16m/s2、6. 77m/V，且通過尖
軌比通過心軌時加速度要大。車體橫向加速度滿足小于O. 10g的要求。車體和轉向架的橫
向加速度如圖7和圖8所示。 鋼軌加速度最大為811m/s2，軌道板加速度最大為0. 85m/s2，軌道板最大位移為 0. 075mm。鋼軌、軌道板的動力響應如圖9至圖13所示。 橋梁垂向加速度最大為0. 60m/V，橫向加速度最大為0. 015m/s2，垂向位移最大為 0. 74mm，橫向位移最大為0. OOlmm，如圖14至圖17所示。 綜合上述動力響應的計算結果可知，鋼軌的振動加速度最大，其后依次為軌道板、 橋梁的振動加速度，振動自上到下依次衰減。從車體加速度、脫軌系數(shù)、輪重減載率等指標 來看，在該實施例的計算條件下，列車直向通過橋上無縫道岔可以滿足行車安全性、舒適性 等各項指標的要求。 本實施例表明，該發(fā)明可用于橋上無縫道岔結構體系的動力特性分析和評估。
權利要求
一種橋上無縫道岔結構體系，其包括車輛結構模型、道岔結構模型、橋梁結構模型；以及車輛結構和道岔結構之間的車岔作用模型、道岔和橋梁之間的岔橋作用模型；其中，所述道岔結構模型包括有砟軌道道岔模型和無砟軌道道岔模型，所述橋梁結構模型包括簡支梁橋模型和連續(xù)梁橋模型；所述車輛結構模型和車岔之間的動力相互作用模型采用自編程序FORTRAN模塊完成；所述道岔結構模型和所述橋梁結構模型以及道岔與橋梁之間的動力相互作用模型采用ANSYS模塊完成；在上述建模工作的基礎上，所述接口和控制程序FORSYS通過FORTRAN模塊和ANSYS模塊實現(xiàn)車輛、道岔和橋梁之間的相互連接和耦合求解。
2. —種橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是包括車輛結構建模其利用自編程序FORTRAN模塊來完成車輛結構的建模，求解后得到車 體加速度、輪軌作用力、脫軌系數(shù)以及輪重減載率四種關鍵動力學指標；道岔結構建模利用ANSYS模塊來完成道岔結構的建模，求解后得到鋼軌結構和軌道 板結構的振動加速度、動位移兩種關鍵動力學指標；橋梁結構建模利用ANSYS模塊來完成橋梁結構的建模，求解后得到橋梁結構的振動 加速度、動位移兩種關鍵動力學指標；以及，耦合求解在上述建模工作的基礎上，分析車岔之間的動力相互作用以及道岔與橋梁 之間的動力相互作用，利用相應接口和控制程序FORSYS模塊實現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模 塊的連接和耦合求解。
3. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是所述車輛 結構建模中，針對車體和前后轉向架的沉浮、點頭、橫移、側滾和搖頭運動特征，以及每一輪 對的沉浮、橫移、側滾和搖頭運動特征進行整車結構的模擬；鋼軌按實際截面屬性進行建 模，區(qū)間鋼軌采用等截面空間梁模擬，尖軌和心軌部位采用變截面空間梁模擬；扣件采用彈 簧-阻尼單元進行模擬。
4. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是所述道岔 結構建模中，對于有砟軌道無縫道岔，岔枕采用空間梁單元模擬；對于無砟軌道無縫道岔， 軌道板采用空間板單元模擬；岔枕或軌道板下的支承采用彈簧_阻尼單元來模擬。
5. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是所述道岔 結構建模中，根據(jù)道岔結構的力學特性進行道岔結構建模，所述道岔結構的力學特征包括 間隔鐵與頂鐵之間的非線性作用；尖軌與基本軌之間的非線性作用；心軌與翼軌之間的非 線性作用；尖軌與滑床臺之間的非線性作用；以及，心軌與滑床臺之間的非線性作用。
6. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是所述橋梁 結構建模中，根據(jù)橋梁結構的力學特性，對橋梁結構進行合理簡化，采用空間變截面梁單元 進行模擬。
7. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是在所述耦 合求解中，所述車岔之間的動力相互作用以輪軌接觸的方式體現(xiàn)，對軌面和踏面形狀進行 離散，用跡線法動態(tài)確定輪軌空間接觸幾何關系，從而滿足岔區(qū)輪軌接觸的復雜性要求；所 述道岔與橋梁之間的動力相互作用是指，根據(jù)不同的連接型式確定相應的剛度和阻尼參 數(shù)，通過彈簧_阻尼單元進行模擬。
8. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是在所述耦合求解中，所述FORTRAN模塊包含了車輛結構建模所需要的全部信息，所述車輛結構建模所需要的全部信息包括車輛結構自由度的分配以及車輛各部分的質量、剛度和阻尼參數(shù)；所述ANSYS模塊包含了道岔結構和橋梁結構建模需要的信息，所述道岔結構和橋梁結構建模需要的信息包括自由度的分配以及各子結構的質量、剛度和阻尼參數(shù)。
9. 根據(jù)權利要求2所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是在所述耦合求解中，所述接口和控制程序F0RSYS通過所述FORTRAN模塊和所述ANSYS模塊完成車輛和道岔的耦合，判斷車岔相對位置，確定輪軌接觸狀態(tài)，計算輪軌相互作用力，并對所組成的車輛_道岔_橋梁空間耦合系統(tǒng)進行求解，從而得到系統(tǒng)各部分的動力響應。
10. 根據(jù)權利要求2至9中任意一項權利要求所述的橋上無縫道岔結構體系動力分析方法，其特征是所述道岔包括有砟軌道道岔和無砟軌道道岔，所述橋梁包括簡支梁橋和連續(xù)梁橋。
全文摘要
一種橋上無縫道岔結構體系及其動力分析方法，屬于鐵道工程應用計算與設計技術領域。本發(fā)明方法首先利用FORTRAN自編程序模塊完成車輛結構的建模；然后利用ANSYS軟件模塊來完成道岔和橋梁結構的建模；最后利用自主開發(fā)的接口和控制程序FORSYS實現(xiàn)FORTRAN模塊和ANSYS模塊的連接和耦合求解。本發(fā)明方法采用自編程序和商業(yè)軟件相結合的方法，既充分考慮岔區(qū)復雜的輪軌接觸關系，又盡量按實際狀態(tài)完成對道岔和橋梁結構的建模，充分保證模型的細致、完整、準確，相對傳統(tǒng)建模方法具有明顯的改進。
文檔編號G06F17/50GK101699450SQ20091023692
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權日2009年10月27日
發(fā)明者侯博文, 李蒼楠, 趙磊, 辛濤, 高亮 申請人:北京交通大學