基于SIMPACK和ANSYS联合仿真的胶粘道砟过渡段动力学特性研究

姜涵文,肖 宏,安博伦

(1.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

基于SIMPACK和ANSYS联合仿真的胶粘道砟过渡段动力学特性研究

姜涵文1,2,肖 宏1,2,安博伦1,2

(1.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室,北京 100044； 2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

为了研究胶粘道砟过渡段动力学特性,基于SIMPACK和ANSYS联合仿真,建立将无砟轨道、胶粘道砟、有砟轨道三种不同轨道结构连接起来的完整过渡区段,组成车辆-轨道下部基础空间耦合分析模型,对胶粘道砟过渡段的动力学特性进行系统研究,并探讨速度的影响。结果表明：胶粘道砟过渡段能够使轨道刚度平顺过渡,但列车从无砟轨道运行到胶粘道砟过渡段时加速度仍会剧烈变化,所以建议在靠近胶粘道砟过渡段的无砟轨道采用具有一定减振作用的扣件。

胶粘道砟过渡段；联合仿真分析模型,无砟轨道-胶粘道砟-有砟轨道；列车速度

1 概述

据统计，至2016年年底，我国已开通的高速铁路总里程达到2.2万km，约占世界高速铁路总里程的60%[1]。为解决高速铁路刚度平顺过渡的问题，我国在无砟轨道和有砟轨道过渡段区域大量采用了道砟胶固化道床技术[2]。

道砟胶固化道床是一种新型的铁路轨道技术，国外对其进行了一定的研究[3-7]。比利时是世界上第一个应用道砟胶技术的国家，在布鲁塞尔—科隆的高速铁路线上，修建旁线时，用于稳固运营线的道床[8]。德国为方便用工业吸尘器清洁道床，保持车站的洁净，将道砟固化技术应用于车站有砟道床的表面固化[9]。除了欧洲以外，日本在新干线有砟轨道线路上为了防止道砟飞溅，部分地段采用了胶粘道砟技术[10]。

国内针对胶粘道砟固化道床技术也进行了一定的研究，但总体上理论研究滞后于工程实践。郭宏伟在秦沈客专上行绥中北至葫芦岛北区间K394+500～K395+500处进行了现场防止道砟飞溅的现场胶粘道砟试验[11]。王浩宇、肖宏同荷兰deft大学合作就有砟-无砟过渡段采用胶粘道砟措施进行了初步的理论分析，分别研究了两种不同长度采用胶粘道砟的过渡段结构[12]。王平及其团队为了明确胶粘道砟新型道床参数的变化情况，在试验室进行了轨道实尺模型试验，主要测试了喷道砟胶前后道床纵横向阻力、支承刚度的变化情况[13]。

从上述的国内外研究可以看出，目前的研究主要基于有限的试验测试或者建立车辆-胶粘道砟轨道模型进行一定的研究，但限于计算效率等原因，建立的模型没有包括无砟轨道、胶粘道砟过渡段和有砟轨道整体长大下部基础，或者建立的车辆模型较简化，不能很好反应列车对轨道的作用，这使得分析计算不能完善地反映列车从无砟轨道到有砟轨道或者从有砟轨道到无砟轨道时，途径胶粘道砟过渡段的动力学特性。

因此，本文采用SIMPACK和ANSYS进行联合仿真。

2 模型建立

SIMPACK是一款多体动力学软件，在建立车辆模型和解决轮轨接触方面具有明显的优势[14]，相比于常用的车辆轨道耦合软件ABAQUS，其轮轨接触为滑动接触，SIMPACK中轮轨接触为滚动接触更加接近现实情况。ANSYS是一款大型通用有限元分析(FEA)软件，在建立有限元模型、模型求解及数据后处理方面优势明显[15]，但是ANSYS中无法实现车辆模型精细化建模。所以采用SIMPACK建立列车模型，ANSYS建立将无砟轨道、胶粘道砟、有砟轨道3种不同轨道结构连接起来的完整过渡区段，然后自编接口文件，实现车辆-轨道空间耦合模型的建立，针对道砟胶用量不同的工况，做了理论分析，提取了钢轨挠度和加速度的结果。

2.1 车辆模型建立

车辆模型采用CRH3型高速列车，轮轨之间的耦合作用通过轮轨接触来实现，根据Hertz非线性弹性接触理论计算轮轨法向力，根据Kalker线性蠕滑理论计算蠕滑力，并用沈氏理论进行非线性修正。SIMPACK在建立模型时将机车车辆视为由车体、构架及轮对组成的多刚体系统，考虑车体、前后构架及轮对的垂向、横向、沉浮、点头、侧滚、摇头自由度。在SIMPACK软件中，多体系统的拓扑图形建立的好坏直接和模型建立的正确与否相关，并且关系到所建模型的复杂程度以及规模的大小，也涉及到最终的动力学方程的求解时间和计算效率。轨道车辆系统拓扑关系如图1所示[16]。

图1 轨道车辆系统拓扑关系

由于车辆是一个庞大的复杂的机械系统，为了缩短计算机的求解计算时间，需要先将其多体模型进行合理的必要的简化，再将简化后的模型分解为SIMPACK软件中的一些基本要素，比如体、铰、约束、力等[17-19]。建立的车辆模型如图2所示。

图2 车辆模型

2.2 钢轨及轨下基础模型建立

使用ANSYS软件建立钢轨及轨下基础模型，无砟轨道段为CRTSII型板式无砟轨道，它是由钢轨、扣件、枕块等组成；有砟轨道段由钢轨、轨枕和道床组成，其中轨枕采用2.6 m长III型混凝土轨枕，轨枕间距为0.6 m，扣件采用与III型混凝土枕配套的弹条扣件，扣件节点静刚度为70 kN/mm，道床的顶面宽为3.6 m，道床厚度为0.35 m，其中道床边坡为1∶1.75。胶粘道砟过渡段部分采用的轨道结构尺寸与有砟轨道相同，只是由于道床采用道砟胶进行固化，计算参数有所不同，具体参数如表1所示。

表1 有砟轨道及胶粘道砟段参数表

整个模型中无砟轨道长度为9.6 m，胶粘道砟过渡段长度为14.55 m，普通有砟轨道长度为10.65 m(轨道长度的选取是为了满足轨枕宽度和轨枕间距的要求以及边界条件要求)。根据现场胶粘道砟使用情况，胶粘道砟过渡段又分为3部分，道砟胶用量48 kg/m3的轨道长度为4.95 m，道砟胶用量30 kg/m3的轨道长度为4.8 m，道砟胶用量20 kg/m3的轨道长度为4.8 m。整个轨下基础模型的纵断面如图3所示(省略轨枕、扣件及钢轨等)。

图3 过渡段纵断面(单位：m)

模型计算采用60 kg/m钢轨，并且为了忽略边界条件影响将其两端延伸一定长度，将其视为弹性点支承基础上的Bernoulli-Euler梁，分别考虑左、右股钢轨的垂向、横向及转动自由度，钢轨支承点间隔为扣件间距。轨下基础模型为将无砟轨道、胶粘道砟及普通有砟轨道连接在一起的整体有限元模型，模型的整体效果如4所示。

图4 钢轨及轨下基础模型

2.3 车辆-轨道耦合动力学模型建立

为了实现车辆-轨道的耦合，利用SIMPACK和ANSYS之间的接口程序FEMBS生成柔性体仿真时所需要的弹性体模型的SID文件。首先导入所需结构，利用有限元软件ANSYS子结构分析生成的结果文件，然后在接口程序中创建该结构的*.fbi文件。这样就可以在SIMPACK软件中将多体系统刚性体模型替换为柔性体模型。同时在替换过程中，要将原来与刚性体连接的点用弹性体的点全部替换过来，这样就可以进行柔性结构仿真计算。所建立的模型如图5所示。

图5 车辆-轨道耦合动力学模型

3 结果分析

根据我国高速铁路进出车站通过胶粘道砟过渡段的实际情况，模型计算时列车速度取160 km/h，不平顺采用我国高速铁路现场实测不平顺数据，见图6。列车的行进方向为从无砟轨道到有砟轨道，计算时分别提取如下5个断面的数据：①无砟轨道；②道砟胶用量48 kg/m3；③道砟胶用量30 kg/m3；④道砟胶用量20 kg/m3；⑤普通有砟轨道。

图6 我国高速铁路现场实测不平顺数据

3.1 位移结果分析

5个断面的钢轨位移时程见图7，钢轨位移最大值见表2，钢轨位移最大值线性拟合曲线见图8。

表2 钢轨位移最大值

图7 钢轨位移时程

图8 钢轨位移最大值线性拟合曲线

从图7、图8及表2可以看出：

(1)列车从无砟轨道运行到有砟轨道时，位移逐渐增大，并且呈线性变化。这主要是由于无砟轨道、胶粘道砟和普通有砟轨道的刚度由强到弱导致的。同时也表明，采用胶粘道砟明显起到了轨道动位移平顺过渡的作用。

(2)从数值可以看出，无砟轨道钢轨位移为0.893 mm，普通有砟轨道钢轨位移1.25 mm，普通有砟轨道的钢轨位移较无砟轨道大39.98%。若没有胶粘道砟过渡段，则列车从无砟轨道运行到普通有砟轨道或者从普通有砟轨道运行到无砟轨道，都会出现明显的位移突变，这会对高速行车不利。

3.2 加速度结果分析

5个断面的钢轨加速度时程如图9所示，钢轨加速度最大值见表3，钢轨加速度最大值折线图如图10所示。

图9 钢轨加速度时程

表3 钢轨加速度最大值

图10 5个断面钢轨最大加速度值折线

从图9、图10及表3可以看出：

(1)高速列车从无砟轨道经胶粘道砟过渡段到普通有砟轨道，加速度逐渐减小。这主要是由于无砟轨道、胶粘道砟和普通有砟轨道的刚度由强到弱导致的。

(2)从图中的数值可以看出，无砟轨道的钢轨加速度明显比胶粘道砟和普通道砟的钢轨加速度大，分别大99.38%(以道砟胶用量48 kg/m3为例进行计算)和141.93%。可见，尽管采用胶粘道砟作为过渡段，但是列车从无砟轨道运行到胶粘道砟的时候，还是会出现加速度的剧烈变化。因此，建议在靠近过渡段的无砟轨道采用具有一定减振作用的扣件。

(3)对比无砟轨道和普通道砟的钢轨加速度可以看出，若无胶粘道砟，则加速度的突变量将达到148.02g。这对高速行车非常不利，这也进一步表明，在高速铁路无砟轨道和有砟轨道过渡段应使用胶粘道砟。

4 速度对胶粘道砟过渡段的影响分析

目前胶粘道砟主要用在高速铁路无砟轨道和有砟轨道的过渡段，一般设在进出站位置，速度主要为160 km/h。但是随着高速铁路的建设，为防止道砟飞溅及其他特殊原因，部分地段也使用胶粘道砟。因此，有必要分析不同速度条件下的胶粘道砟过渡段的动力学特性。速度工况包括120、160、200、250、300 km/h，计算不同速度条件下的钢轨位移、加速度，其最大值分别如图11、图12所示。

图11 不同速度下钢轨位移最大值折线

图12 不同速度下钢轨加速度最大值折线

由图11和图12可以看出：

(1)所有的速度工况下，无砟轨道、胶粘道砟和普通有砟轨道的钢轨加速度依次减小并且钢轨动位移依次增大。由此表明，胶粘道砟在不同的速度工况下都具有平顺过渡的作用。

(2)随着列车运行速度增加，无砟轨道和普通有砟轨道的钢轨加速度和位移差值增大。若无胶粘道砟过渡段，则列车从无砟轨道运行到普通有砟轨道或从普通有砟轨道运行到无砟轨道时钢轨加速度和位移会产生剧烈变化，对高速行车非常不利。

5 结论

(1)采用SIMPACK和ANSYS联合率先建立包括无砟轨道、胶粘道砟和普通有砟轨道的完整过渡段理论模型，该模型可以计算分析列车从无砟轨道运行到有砟轨道时过渡段的动力学响应。

(2)采用胶粘道砟之后，列车从无砟轨道运行到有砟轨道途径过渡段时钢轨位移呈线性增加，并且钢轨加速度依次减小，表明胶粘道砟过渡段能够使轨道刚度平顺过渡，从而验证了我国高速铁路采用胶粘道砟过渡段的必要性。

(3)采用3种道砟胶用量(48/30/20 kg/m3)的分段浇注方式，能够保证高速列车经过过渡段时轨道刚度均匀变化。但列车从无砟轨道运行到胶粘道砟过渡段时加速度会急剧减小，最高达53.56%(以道砟胶用量48 kg/m3为例进行计算)。因此，建议在靠近过渡段的无砟轨道采用具有一定减振作用的扣件。

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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

国家自然科学基金(51578055)；中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2015G006-I)北京交通大学大学生创新性实验计划项目(160130001)

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

肖 宏(1978—)，男，教授，博士生导师，主要从事轨道工程方面的科研与教学工作，E-mail：xiaoh@bjtu.edu.cn。

U213.7

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703190002