基于SIMPACK和ANSYS聯合仿真的膠粘道砟過渡段動力學特性研究

姜涵文,肖 宏,安博倫

(1.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

基于SIMPACK和ANSYS聯合仿真的膠粘道砟過渡段動力學特性研究

姜涵文1,2,肖 宏1,2,安博倫1,2

(1.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室,北京 100044； 2.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

為了研究膠粘道砟過渡段動力學特性,基于SIMPACK和ANSYS聯合仿真,建立將無砟軌道、膠粘道砟、有砟軌道三種不同軌道結構連接起來的完整過渡區段,組成車輛-軌道下部基礎空間耦合分析模型,對膠粘道砟過渡段的動力學特性進行系統研究,并探討速度的影響。結果表明：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行到膠粘道砟過渡段時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

據統計，至2016年年底，我國已開通的高速鐵路總里程達到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域大量采用了道砟膠固化道床技術[2]。

道砟膠固化道床是一種新型的鐵路軌道技術，國外對其進行了一定的研究[3-7]。比利時是世界上第一個應用道砟膠技術的國家，在布魯塞爾—科隆的高速鐵路線上，修建旁線時，用于穩固運營線的道床[8]。德國為方便用工業吸塵器清潔道床，保持車站的潔凈，將道砟固化技術應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[10]。

國內針對膠粘道砟固化道床技術也進行了一定的研究，但總體上理論研究滯后于工程實踐。郭宏偉在秦沈客專上行綏中北至葫蘆島北區間K394+500～K395+500處進行了現場防止道砟飛濺的現場膠粘道砟試驗[11]。王浩宇、肖宏同荷蘭deft大學合作就有砟-無砟過渡段采用膠粘道砟措施進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構[12]。王平及其團隊為了明確膠粘道砟新型道床參數的變化情況，在試驗室進行了軌道實尺模型試驗，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]。

從上述的國內外研究可以看出，目前的研究主要基于有限的試驗測試或者建立車輛-膠粘道砟軌道模型進行一定的研究，但限于計算效率等原因，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，或者建立的車輛模型較簡化，不能很好反應列車對軌道的作用，這使得分析計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，途徑膠粘道砟過渡段的動力學特性。

因此，本文采用SIMPACK和ANSYS進行聯合仿真。

2 模型建立

SIMPACK是一款多體動力學軟件，在建立車輛模型和解決輪軌接觸方面具有明顯的優勢[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實情況。ANSYS是一款大型通用有限元分析(FEA)軟件，在建立有限元模型、模型求解及數據后處理方面優勢明顯[15]，但是ANSYS中無法實現車輛模型精細化建模。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種不同軌道結構連接起來的完整過渡區段，然后自編接口文件，實現車輛-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現，根據Hertz非線性彈性接觸理論計算輪軌法向力，根據Kalker線性蠕滑理論計算蠕滑力，并用沈氏理論進行非線性修正。SIMPACK在建立模型時將機車車輛視為由車體、構架及輪對組成的多剛體系統，考慮車體、前后構架及輪對的垂向、橫向、沉浮、點頭、側滾、搖頭自由度。在SIMPACK軟件中，多體系統的拓撲圖形建立的好壞直接和模型建立的正確與否相關，并且關系到所建模型的復雜程度以及規模的大小，也涉及到最終的動力學方程的求解時間和計算效率。軌道車輛系統拓撲關系如圖1所示[16]。

圖1 軌道車輛系統拓撲關系

由于車輛是一個龐大的復雜的機械系統，為了縮短計算機的求解計算時間，需要先將其多體模型進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 鋼軌及軌下基礎模型建立

使用ANSYS軟件建立鋼軌及軌下基礎模型，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，扣件節點靜剛度為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構尺寸與有砟軌道相同，只是由于道床采用道砟膠進行固化，計算參數有所不同，具體參數如表1所示。

表1 有砟軌道及膠粘道砟段參數表

整個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)。根據現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。整個軌下基礎模型的縱斷面如圖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，將其視為彈性點支承基礎上的Bernoulli-Euler梁，分別考慮左、右股鋼軌的垂向、橫向及轉動自由度，鋼軌支承點間隔為扣件間距。軌下基礎模型為將無砟軌道、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 鋼軌及軌下基礎模型

2.3 車輛-軌道耦合動力學模型建立

為了實現車輛-軌道的耦合，利用SIMPACK和ANSYS之間的接口程序FEMBS生成柔性體仿真時所需要的彈性體模型的SID文件。首先導入所需結構，利用有限元軟件ANSYS子結構分析生成的結果文件，然后在接口程序中創建該結構的*.fbi文件。這樣就可以在SIMPACK軟件中將多體系統剛性體模型替換為柔性體模型。同時在替換過程中，要將原來與剛性體連接的點用彈性體的點全部替換過來，這樣就可以進行柔性結構仿真計算。所建立的模型如圖5所示。

圖5 車輛-軌道耦合動力學模型

3 結果分析

根據我國高速鐵路進出車站通過膠粘道砟過渡段的實際情況，模型計算時列車速度取160 km/h，不平順采用我國高速鐵路現場實測不平順數據，見圖6。列車的行進方向為從無砟軌道到有砟軌道，計算時分別提取如下5個斷面的數據：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 我國高速鐵路現場實測不平順數據

3.1 位移結果分析

5個斷面的鋼軌位移時程見圖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)列車從無砟軌道運行到有砟軌道時，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到弱導致的。同時也表明，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行到普通有砟軌道或者從普通有砟軌道運行到無砟軌道，都會出現明顯的位移突變，這會對高速行車不利。

3.2 加速度結果分析

5個斷面的鋼軌加速度時程如圖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 鋼軌加速度時程

表3 鋼軌加速度最大值

圖10 5個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到弱導致的。

(2)從圖中的數值可以看出，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為例進行計算)和141.93%。可見，盡管采用膠粘道砟作為過渡段，但是列車從無砟軌道運行到膠粘道砟的時候，還是會出現加速度的劇烈變化。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到148.02g。這對高速行車非常不利，這也進一步表明，在高速鐵路無砟軌道和有砟軌道過渡段應使用膠粘道砟。

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，一般設在進出站位置，速度主要為160 km/h。但是隨著高速鐵路的建設，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特性。速度工況包括120、160、200、250、300 km/h，計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行到普通有砟軌道或從普通有砟軌道運行到無砟軌道時鋼軌加速度和位移會產生劇烈變化，對高速行車非常不利。

5 結論

(1)采用SIMPACK和ANSYS聯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，該模型可以計算分析列車從無砟軌道運行到有砟軌道時過渡段的動力學響應。

(2)采用膠粘道砟之后，列車從無砟軌道運行到有砟軌道途徑過渡段時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過過渡段時軌道剛度均勻變化。但列車從無砟軌道運行到膠粘道砟過渡段時加速度會急劇減小，最高達53.56%(以道砟膠用量48 kg/m3為例進行計算)。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特點[J].科技導報，2015(18):13-19.

[2] 亓偉.道砟膠固化道床技術在有砟-無砟軌道過渡段的應用[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特性研究[D].北京：北京交通大學，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，2008.

[6] 王斌，包進榮，楊冠嶺，等.道砟膠對道床參數的影響研究[J].鐵道標準設計，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，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的應用研究[J].鐵路工程造價管理，2012(2):12-15.

[12] 王浩宇.高速鐵路無砟有砟過渡段優化設計[D].北京：北京交通大學，2012.

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

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

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

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

[17] 黃安寧，易智民，張安全.基于SIMPACK的軌道車輛動態性能仿真分析[J].機械與電子，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

國家自然科學基金(51578055)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2015G006-I)北京交通大學大學生創新性實驗計劃項目(160130001)

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

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

U213.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703190002