姜涵文,肖 宏,安博倫

(1.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

基于SIMPACK和ANSYS聯(lián)合仿真的膠粘道砟過渡段動力學(xué)特性研究

姜涵文1,2,肖 宏1,2,安博倫1,2

(1.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

為了研究膠粘道砟過渡段動力學(xué)特性,基于SIMPACK和ANSYS聯(lián)合仿真,建立將無砟軌道、膠粘道砟、有砟軌道三種不同軌道結(jié)構(gòu)連接起來的完整過渡區(qū)段,組成車輛-軌道下部基礎(chǔ)空間耦合分析模型,對膠粘道砟過渡段的動力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究,并探討速度的影響。結(jié)果表明：膠粘道砟過渡段能夠使軌道剛度平順過渡,但列車從無砟軌道運(yùn)行到膠粘道砟過渡段時(shí)加速度仍會劇烈變化,所以建議在靠近膠粘道砟過渡段的無砟軌道采用具有一定減振作用的扣件。

膠粘道砟過渡段；聯(lián)合仿真分析模型,無砟軌道-膠粘道砟-有砟軌道；列車速度

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2016年年底，我國已開通的高速鐵路總里程達(dá)到2.2萬km，約占世界高速鐵路總里程的60%[1]。為解決高速鐵路剛度平順過渡的問題，我國在無砟軌道和有砟軌道過渡段區(qū)域大量采用了道砟膠固化道床技術(shù)[2]。

道砟膠固化道床是一種新型的鐵路軌道技術(shù)，國外對其進(jìn)行了一定的研究[3-7]。比利時(shí)是世界上第一個(gè)應(yīng)用道砟膠技術(shù)的國家，在布魯塞爾—科隆的高速鐵路線上，修建旁線時(shí)，用于穩(wěn)固運(yùn)營線的道床[8]。德國為方便用工業(yè)吸塵器清潔道床，保持車站的潔凈，將道砟固化技術(shù)應(yīng)用于車站有砟道床的表面固化[9]。除了歐洲以外，日本在新干線有砟軌道線路上為了防止道砟飛濺，部分地段采用了膠粘道砟技術(shù)[10]。

國內(nèi)針對膠粘道砟固化道床技術(shù)也進(jìn)行了一定的研究，但總體上理論研究滯后于工程實(shí)踐。郭宏偉在秦沈客專上行綏中北至葫蘆島北區(qū)間K394+500～K395+500處進(jìn)行了現(xiàn)場防止道砟飛濺的現(xiàn)場膠粘道砟試驗(yàn)[11]。王浩宇、肖宏同荷蘭deft大學(xué)合作就有砟-無砟過渡段采用膠粘道砟措施進(jìn)行了初步的理論分析，分別研究了兩種不同長度采用膠粘道砟的過渡段結(jié)構(gòu)[12]。王平及其團(tuán)隊(duì)為了明確膠粘道砟新型道床參數(shù)的變化情況，在試驗(yàn)室進(jìn)行了軌道實(shí)尺模型試驗(yàn)，主要測試了噴道砟膠前后道床縱橫向阻力、支承剛度的變化情況[13]。

從上述的國內(nèi)外研究可以看出，目前的研究主要基于有限的試驗(yàn)測試或者建立車輛-膠粘道砟軌道模型進(jìn)行一定的研究，但限于計(jì)算效率等原因，建立的模型沒有包括無砟軌道、膠粘道砟過渡段和有砟軌道整體長大下部基礎(chǔ)，或者建立的車輛模型較簡化，不能很好反應(yīng)列車對軌道的作用，這使得分析計(jì)算不能完善地反映列車從無砟軌道到有砟軌道或者從有砟軌道到無砟軌道時(shí)，途徑膠粘道砟過渡段的動力學(xué)特性。

因此，本文采用SIMPACK和ANSYS進(jìn)行聯(lián)合仿真。

2 模型建立

SIMPACK是一款多體動力學(xué)軟件，在建立車輛模型和解決輪軌接觸方面具有明顯的優(yōu)勢[14]，相比于常用的車輛軌道耦合軟件ABAQUS，其輪軌接觸為滑動接觸，SIMPACK中輪軌接觸為滾動接觸更加接近現(xiàn)實(shí)情況。ANSYS是一款大型通用有限元分析(FEA)軟件，在建立有限元模型、模型求解及數(shù)據(jù)后處理方面優(yōu)勢明顯[15]，但是ANSYS中無法實(shí)現(xiàn)車輛模型精細(xì)化建模。所以采用SIMPACK建立列車模型，ANSYS建立將無砟軌道、膠粘道砟、有砟軌道3種不同軌道結(jié)構(gòu)連接起來的完整過渡區(qū)段，然后自編接口文件，實(shí)現(xiàn)車輛-軌道空間耦合模型的建立，針對道砟膠用量不同的工況，做了理論分析，提取了鋼軌撓度和加速度的結(jié)果。

2.1 車輛模型建立

車輛模型采用CRH3型高速列車，輪軌之間的耦合作用通過輪軌接觸來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)Hertz非線性彈性接觸理論計(jì)算輪軌法向力，根據(jù)Kalker線性蠕滑理論計(jì)算蠕滑力，并用沈氏理論進(jìn)行非線性修正。SIMPACK在建立模型時(shí)將機(jī)車車輛視為由車體、構(gòu)架及輪對組成的多剛體系統(tǒng)，考慮車體、前后構(gòu)架及輪對的垂向、橫向、沉浮、點(diǎn)頭、側(cè)滾、搖頭自由度。在SIMPACK軟件中，多體系統(tǒng)的拓?fù)鋱D形建立的好壞直接和模型建立的正確與否相關(guān)，并且關(guān)系到所建模型的復(fù)雜程度以及規(guī)模的大小，也涉及到最終的動力學(xué)方程的求解時(shí)間和計(jì)算效率。軌道車輛系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示[16]。

圖1 軌道車輛系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

由于車輛是一個(gè)龐大的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，為了縮短計(jì)算機(jī)的求解計(jì)算時(shí)間，需要先將其多體模型進(jìn)行合理的必要的簡化，再將簡化后的模型分解為SIMPACK軟件中的一些基本要素，比如體、鉸、約束、力等[17-19]。建立的車輛模型如圖2所示。

圖2 車輛模型

2.2 鋼軌及軌下基礎(chǔ)模型建立

使用ANSYS軟件建立鋼軌及軌下基礎(chǔ)模型，無砟軌道段為CRTSII型板式無砟軌道，它是由鋼軌、扣件、枕塊等組成；有砟軌道段由鋼軌、軌枕和道床組成，其中軌枕采用2.6 m長III型混凝土軌枕，軌枕間距為0.6 m，扣件采用與III型混凝土枕配套的彈條扣件，扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度為70 kN/mm，道床的頂面寬為3.6 m，道床厚度為0.35 m，其中道床邊坡為1∶1.75。膠粘道砟過渡段部分采用的軌道結(jié)構(gòu)尺寸與有砟軌道相同，只是由于道床采用道砟膠進(jìn)行固化，計(jì)算參數(shù)有所不同，具體參數(shù)如表1所示。

表1 有砟軌道及膠粘道砟段參數(shù)表

整個(gè)模型中無砟軌道長度為9.6 m，膠粘道砟過渡段長度為14.55 m，普通有砟軌道長度為10.65 m(軌道長度的選取是為了滿足軌枕寬度和軌枕間距的要求以及邊界條件要求)。根據(jù)現(xiàn)場膠粘道砟使用情況，膠粘道砟過渡段又分為3部分，道砟膠用量48 kg/m3的軌道長度為4.95 m，道砟膠用量30 kg/m3的軌道長度為4.8 m，道砟膠用量20 kg/m3的軌道長度為4.8 m。整個(gè)軌下基礎(chǔ)模型的縱斷面如圖3所示(省略軌枕、扣件及鋼軌等)。

圖3 過渡段縱斷面(單位：m)

模型計(jì)算采用60 kg/m鋼軌，并且為了忽略邊界條件影響將其兩端延伸一定長度，將其視為彈性點(diǎn)支承基礎(chǔ)上的Bernoulli-Euler梁，分別考慮左、右股鋼軌的垂向、橫向及轉(zhuǎn)動自由度，鋼軌支承點(diǎn)間隔為扣件間距。軌下基礎(chǔ)模型為將無砟軌道、膠粘道砟及普通有砟軌道連接在一起的整體有限元模型，模型的整體效果如4所示。

圖4 鋼軌及軌下基礎(chǔ)模型

2.3 車輛-軌道耦合動力學(xué)模型建立

為了實(shí)現(xiàn)車輛-軌道的耦合，利用SIMPACK和ANSYS之間的接口程序FEMBS生成柔性體仿真時(shí)所需要的彈性體模型的SID文件。首先導(dǎo)入所需結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件ANSYS子結(jié)構(gòu)分析生成的結(jié)果文件，然后在接口程序中創(chuàng)建該結(jié)構(gòu)的*.fbi文件。這樣就可以在SIMPACK軟件中將多體系統(tǒng)剛性體模型替換為柔性體模型。同時(shí)在替換過程中，要將原來與剛性體連接的點(diǎn)用彈性體的點(diǎn)全部替換過來，這樣就可以進(jìn)行柔性結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算。所建立的模型如圖5所示。

圖5 車輛-軌道耦合動力學(xué)模型

3 結(jié)果分析

根據(jù)我國高速鐵路進(jìn)出車站通過膠粘道砟過渡段的實(shí)際情況，模型計(jì)算時(shí)列車速度取160 km/h，不平順采用我國高速鐵路現(xiàn)場實(shí)測不平順數(shù)據(jù)，見圖6。列車的行進(jìn)方向?yàn)閺臒o砟軌道到有砟軌道，計(jì)算時(shí)分別提取如下5個(gè)斷面的數(shù)據(jù)：①無砟軌道；②道砟膠用量48 kg/m3；③道砟膠用量30 kg/m3；④道砟膠用量20 kg/m3；⑤普通有砟軌道。

圖6 我國高速鐵路現(xiàn)場實(shí)測不平順數(shù)據(jù)

3.1 位移結(jié)果分析

5個(gè)斷面的鋼軌位移時(shí)程見圖7，鋼軌位移最大值見表2，鋼軌位移最大值線性擬合曲線見圖8。

表2 鋼軌位移最大值

圖7 鋼軌位移時(shí)程

圖8 鋼軌位移最大值線性擬合曲線

從圖7、圖8及表2可以看出：

(1)列車從無砟軌道運(yùn)行到有砟軌道時(shí)，位移逐漸增大，并且呈線性變化。這主要是由于無砟軌道、膠粘道砟和普通有砟軌道的剛度由強(qiáng)到弱導(dǎo)致的。同時(shí)也表明，采用膠粘道砟明顯起到了軌道動位移平順過渡的作用。

(2)從數(shù)值可以看出，無砟軌道鋼軌位移為0.893 mm，普通有砟軌道鋼軌位移1.25 mm，普通有砟軌道的鋼軌位移較無砟軌道大39.98%。若沒有膠粘道砟過渡段，則列車從無砟軌道運(yùn)行到普通有砟軌道或者從普通有砟軌道運(yùn)行到無砟軌道，都會出現(xiàn)明顯的位移突變，這會對高速行車不利。

3.2 加速度結(jié)果分析

5個(gè)斷面的鋼軌加速度時(shí)程如圖9所示，鋼軌加速度最大值見表3，鋼軌加速度最大值折線圖如圖10所示。

圖9 鋼軌加速度時(shí)程

表3 鋼軌加速度最大值

圖10 5個(gè)斷面鋼軌最大加速度值折線

從圖9、圖10及表3可以看出：

(1)高速列車從無砟軌道經(jīng)膠粘道砟過渡段到普通有砟軌道，加速度逐漸減小。這主要是由于無砟軌道、膠粘道砟和普通有砟軌道的剛度由強(qiáng)到弱導(dǎo)致的。

(2)從圖中的數(shù)值可以看出，無砟軌道的鋼軌加速度明顯比膠粘道砟和普通道砟的鋼軌加速度大，分別大99.38%(以道砟膠用量48 kg/m3為例進(jìn)行計(jì)算)和141.93%?？梢?，盡管采用膠粘道砟作為過渡段，但是列車從無砟軌道運(yùn)行到膠粘道砟的時(shí)候，還是會出現(xiàn)加速度的劇烈變化。因此，建議在靠近過渡段的無砟軌道采用具有一定減振作用的扣件。

(3)對比無砟軌道和普通道砟的鋼軌加速度可以看出，若無膠粘道砟，則加速度的突變量將達(dá)到148.02g。這對高速行車非常不利，這也進(jìn)一步表明，在高速鐵路無砟軌道和有砟軌道過渡段應(yīng)使用膠粘道砟。

4 速度對膠粘道砟過渡段的影響分析

目前膠粘道砟主要用在高速鐵路無砟軌道和有砟軌道的過渡段，一般設(shè)在進(jìn)出站位置，速度主要為160 km/h。但是隨著高速鐵路的建設(shè)，為防止道砟飛濺及其他特殊原因，部分地段也使用膠粘道砟。因此，有必要分析不同速度條件下的膠粘道砟過渡段的動力學(xué)特性。速度工況包括120、160、200、250、300 km/h，計(jì)算不同速度條件下的鋼軌位移、加速度，其最大值分別如圖11、圖12所示。

圖11 不同速度下鋼軌位移最大值折線

圖12 不同速度下鋼軌加速度最大值折線

由圖11和圖12可以看出：

(1)所有的速度工況下，無砟軌道、膠粘道砟和普通有砟軌道的鋼軌加速度依次減小并且鋼軌動位移依次增大。由此表明，膠粘道砟在不同的速度工況下都具有平順過渡的作用。

(2)隨著列車運(yùn)行速度增加，無砟軌道和普通有砟軌道的鋼軌加速度和位移差值增大。若無膠粘道砟過渡段，則列車從無砟軌道運(yùn)行到普通有砟軌道或從普通有砟軌道運(yùn)行到無砟軌道時(shí)鋼軌加速度和位移會產(chǎn)生劇烈變化，對高速行車非常不利。

5 結(jié)論

(1)采用SIMPACK和ANSYS聯(lián)合率先建立包括無砟軌道、膠粘道砟和普通有砟軌道的完整過渡段理論模型，該模型可以計(jì)算分析列車從無砟軌道運(yùn)行到有砟軌道時(shí)過渡段的動力學(xué)響應(yīng)。

(2)采用膠粘道砟之后，列車從無砟軌道運(yùn)行到有砟軌道途徑過渡段時(shí)鋼軌位移呈線性增加，并且鋼軌加速度依次減小，表明膠粘道砟過渡段能夠使軌道剛度平順過渡，從而驗(yàn)證了我國高速鐵路采用膠粘道砟過渡段的必要性。

(3)采用3種道砟膠用量(48/30/20 kg/m3)的分段澆注方式，能夠保證高速列車經(jīng)過過渡段時(shí)軌道剛度均勻變化。但列車從無砟軌道運(yùn)行到膠粘道砟過渡段時(shí)加速度會急劇減小，最高達(dá)53.56%(以道砟膠用量48 kg/m3為例進(jìn)行計(jì)算)。因此，建議在靠近過渡段的無砟軌道采用具有一定減振作用的扣件。

[1] 盧春房.中國高速鐵路的技術(shù)特點(diǎn)[J].科技導(dǎo)報(bào)，2015(18):13-19.

[2] 亓偉.道砟膠固化道床技術(shù)在有砟-無砟軌道過渡段的應(yīng)用[J].中國鐵路，2016(12):47-51.

[3] 胡飛.高速鐵路道砟膠固化道床軌道過渡段力學(xué)特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[4] 劉鈺，趙國堂，亓偉，等.高速鐵路橋上有砟-無砟軌道過渡段動力學(xué)研究[J].振動與沖擊，2015(9):76-81.

[5] 江萬紅.無砟-有砟軌道過渡段豎向動力性能研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[6] 王斌，包進(jìn)榮，楊冠嶺，等.道砟膠對道床參數(shù)的影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(11):14-16.

[7] 郭積程.高速鐵路路基上有砟軌道與無砟軌道過渡段研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[8] SzabóJ. Scientific research in ballast bonding technology[J]. International Ballast Bonding Day. MC Bauchemie，Bottrop， Németorszg，2008(10):56-68.

[9] StjepanLakusi. Track stability using ballast bonding method[C]∥Slovenskikongrescestah in prometu，2010:25-36.

[10] Suiker A S J， Metrikine A V， De BorstT. Dynamic behavior of layer of discrete particles[J]. Sound Vibr，2000，240(5):1-18.

[11] 郭宏偉，劉樹鐸，連智敏.京哈線秦沈段道砟飛濺防治技術(shù)的應(yīng)用研究[J].鐵路工程造價(jià)管理，2012(2):12-15.

[12] 王浩宇.高速鐵路無砟有砟過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[13] 王平，萬復(fù)光.鐵路碎石道床彈性特性研究初探[J].鐵道學(xué)報(bào)，1997(4):109-115.

[14] 繆炳榮，方向華，傅秀通.SIMPACK動力學(xué)分析基礎(chǔ)教程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2008.

[15] 劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社，2003.

[16] 李宇翔.基于SIMPACK和ANSYS路基上CRTSI板式軌道列車運(yùn)行安全性和舒適性的可靠度分析[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[17] 黃安寧，易智民，張安全.基于SIMPACK的軌道車輛動態(tài)性能仿真分析[J].機(jī)械與電子，2013(3):77-80.

[18] Kortum W. Review of multi-body computer codes for vehicle system dynamics[J]. Vehicle System Dynamics.1993.22(2):1744-1759.

[19] Shabana. Dynamics of multi-body systems[M]. Cambridge University Press，1998.

Study on Dynamic Characteristics of Bonded Ballast Transition Section Based on SIMPACK and ANSYS Co-simulation

JIANG Han-wen1,2， XIAO Hong1,2， AN Bo-lun1,2

(1. Beijing Key Lab of Track Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

In order to study the dynamic characteristics of the bonded ballast transition section, a complete transition section is established to connect three different track structures of ballastless track, bonded ballast and ballast track based on SIMPACK and ANSYS co-simulation and a vehicle-track spatial coupling analysis model is formed to study systematically the dynamic characteristics of the transition section of the bonded ballast and address the influence of the speed. The results show that the transition section of the bonded ballast can make the track stiffness transition smoothly, but the acceleration may change drastically when the train runs from the ballastless track to the bonded ballast. Therefore, the damping fastener in the ballastless track near the bonded ballast transition section is recommended.

Bonded ballast transition section; Co-simulation analysis model; Ballastless-bonded ballast-ballast track; Train speed

1004-2954(2018)01-0010-05

2017-03-19；

2017-04-19

國家自然科學(xué)基金(51578055)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015G006-I)北京交通大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(160130001)

姜涵文(1994.—)，男，碩士研究生，E-mail:whxxjhw@qq.com。

肖 宏(1978—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事軌道工程方面的科研與教學(xué)工作，E-mail：xiaoh@bjtu.edu.cn。

U213.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703190002