本發(fā)明涉及列車軌道仿真，尤其涉及一種有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化預(yù)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、有砟軌道結(jié)構(gòu)是我國軌道交通重要的結(jié)構(gòu)形式之一，其中有砟道床起到支撐鋼軌，分散軌枕應(yīng)力，保持軌道結(jié)構(gòu)形位的作用，但由于有砟道床的離散性以及其材料的隨機(jī)特性，其力學(xué)行為相當(dāng)復(fù)雜，無法采用傳統(tǒng)力學(xué)方法精確描述道床力學(xué)行為。此外，在列車動態(tài)荷載作用下，有砟道床經(jīng)壓實、碎石顆粒破碎等過程，將導(dǎo)致有砟道床永久沉降，并進(jìn)一步加速有砟道床的劣化。因此，有砟軌道結(jié)構(gòu)長期動力性能的演化與預(yù)測仍是有砟軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)行維護(hù)的重大難題之一。

2、目前，室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測是研究有砟道床動力性能演化的重要手段，其中，室內(nèi)試驗無法模擬真實列車荷載，與真實列車荷載下的有砟道床沉降相差較大；而現(xiàn)場監(jiān)測的人力、物理及時間成本較高。在數(shù)值仿真分析方面，采用有限元法建立軌道結(jié)構(gòu)動力仿真分析模型是研究有砟道床動力性能的主要方法，該方法將鋼軌和軌枕視為梁模型，有砟道床采用實體單元模擬，各部件之間的連接則采用彈簧阻尼單元模擬，并將列車荷載視為作用于鋼軌上的移動荷載。在有限元模擬中，有砟道床精確的應(yīng)力應(yīng)變計算需要使用極小的單元尺寸，這將使得有砟軌道動力模型計算效率下降；此外，將列車荷載視為移動荷載將忽略軌道不平順及軌枕脫空等造成的有砟道床動力應(yīng)力放大效應(yīng)，這將給有砟軌道結(jié)構(gòu)長期動力性能的預(yù)測帶來誤差。可見，在現(xiàn)有的有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化方法存在計算效率低、準(zhǔn)確度較差的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化預(yù)測方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化方法存在計算效率低、準(zhǔn)確度較差的問題。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化預(yù)測方法，包括：

4、基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論構(gòu)建列車-有砟軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型；

5、根據(jù)所述列車-有砟軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型確定有砟軌道上的列車載荷，并計算有砟道床在列車荷載作用下的動應(yīng)力和偏動應(yīng)力；

6、構(gòu)建有砟道床沉降經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，并基于所述有砟道床沉降?jīng)驗?zāi)Ｐ陀嬎銌未瘟熊嚭奢d下的有砟道床沉降曲線；

7、基于所述有砟道床沉降曲線計算有砟道床不均勻沉降條件下的列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)；

8、基于所述列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)計算有砟軌道沉降條件下的軌道結(jié)構(gòu)及列車系統(tǒng)評估指標(biāo)，并根據(jù)所述軌道結(jié)構(gòu)及列車系統(tǒng)評估指標(biāo)對有砟軌道動力性能進(jìn)行預(yù)測。

9、可選的，所述列車-有砟軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型的構(gòu)建，包括：

10、對有砟道床結(jié)構(gòu)采用高階有限元法，利用高階插值基函數(shù)擬合軌道結(jié)構(gòu)振動得到列車-有砟軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型，其列車-有砟軌道系統(tǒng)動力學(xué)模型形函數(shù)采用具有正交特性的升階譜多項式，其多項式滿足如下關(guān)系式：

11、；

12、其中：

13、；

14、式中：表示 k階勒讓德多項式；表示函數(shù)變量且其取值范圍為， k表示階數(shù)，表示多項式的解。

15、可選的，有砟道床動應(yīng)力的計算滿足如下關(guān)系式：

16、；

17、其中：；

18、式中：表示有砟道床動應(yīng)力；表示有砟道床應(yīng)變矩陣；表示有砟道床位移矢量；、和分別表示有砟道床縱向、橫向和垂向動應(yīng)力；、和分別表示有砟道床 xy-向、 yz-向和 zx-向切應(yīng)力；

19、可選的，有砟道床動偏應(yīng)力的計算滿足如下關(guān)系式：

20、；

21、式中：表示有砟道床動偏應(yīng)力。

22、可選的，所述有砟道床沉降經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜐M足如下關(guān)系式：

23、；

24、其中：α表示模型計算的中間系數(shù)，；

25、式中：表示有砟軌道結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變； a, b和 c表示可通過室內(nèi)試驗獲取有砟道床沉降相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)， n表示列車荷載作用次數(shù)。

26、可選的，單次列車荷載下的有砟道床沉降的計算滿足如下關(guān)系式：

27、；

28、式中：表示有砟道床頂面沉降； n表示道床有限元垂向?qū)訑?shù)，下標(biāo)“ i”表示第 i層道床有限單元；表示第 i層道床有限單元厚度；表示第 i層道床有限單元應(yīng)變；

29、將有砟道床不同點(diǎn)位的道床沉降進(jìn)行組合得到有砟道床沉降曲線。

30、可選的，基于所述有砟道床沉降曲線計算有砟道床不均勻沉降條件下的列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的計算步驟如下：

31、s1：設(shè)置增量計數(shù)符號 n=1，時間步 t內(nèi)的系統(tǒng)動力響應(yīng)，將系統(tǒng)等效荷載向量平均分為 n份，，該時間步的初始列車-有砟軌道系統(tǒng)剛度矩陣表示為；

32、s2：計算有砟軌道結(jié)構(gòu)在每個加載階段的變形：，并將每一階段的變形累加：，更新列車-有砟軌道系統(tǒng)非線性相關(guān)參數(shù)，并重新生成系統(tǒng)剛度矩陣；

33、s3：判定是否滿足 n=n，如果是，則跳出該循環(huán)，輸出列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，如果否，則令 n=n+1，并返回s2重新計算。

34、可選的，基于道床不均勻沉降條件下的列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)對應(yīng)的評估指標(biāo)，并基于所述評估指標(biāo)對有砟道床沉降條件下的列車-有砟軌道系統(tǒng)動力性能進(jìn)行評估，包括：

35、采用輪重減載率和列車車輛平穩(wěn)性指標(biāo)評估列車-有砟軌道結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，其中，輪重減載率的計算方法及限值如下：

36、

37、式中：表示輪重減載率；表示車輪靜輪重；表示輪軌力變化值。

38、列車車輛平穩(wěn)性指標(biāo)計算方法如下：

39、

40、式中，w表示列車車輛平穩(wěn)性指標(biāo)，wi表示指標(biāo)系數(shù)，下標(biāo) n表示計算頻率總數(shù)；

41、其中：；

42、式中：wi表示指標(biāo)系數(shù)，a表示車體振動加速度，f表示振動頻率，表示頻率修正系數(shù)。

43、第二方面，本技術(shù)實施例提供一種有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化預(yù)測系統(tǒng)，包括處理器、存儲器；

44、存儲器，用于存放計算機(jī)程序；

45、處理器，用于執(zhí)行存儲器上所存放的程序時，實現(xiàn)第一方面中任一所述的方法步驟。

46、有益效果：

47、本發(fā)明提供的有砟軌道結(jié)構(gòu)動力性能演化預(yù)測方法，通過采用高階有限元法模擬有砟軌道結(jié)構(gòu)，使得模型計算精度及計算效率更高，突破了傳統(tǒng)有限元方法的局限性，方法論上優(yōu)于傳統(tǒng)方法，突破了傳統(tǒng)有砟道床沉降預(yù)測方法將列車荷載視為移動荷載的假設(shè)，引入車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，使得列車荷載更加真實，有砟道床沉降計算誤差更??；

48、在列車-有砟軌道靜/動力計算中，考慮了道床不均勻沉降導(dǎo)致的軌枕懸空，采用增量法計算系統(tǒng)靜/動力響應(yīng)，使得計算結(jié)果更加精確，同時，通過采用線性近似的方法，將一百次列車循環(huán)荷載產(chǎn)生的有砟道床沉降采用單次列車荷載后的有砟道床沉降線性疊加近似，大幅提高了計算效率。