模拟分层板碴轨道垂直影响下的演变

文摘

在高速列车的运行过程中,车轮可能在铁路上弹跳由于不规则性。轮反弹可能会生成一个垂直的影响,导致层间分层的起始和发展的轨道结构。摘要界面损伤和分层的演变受到垂直冲击模拟使用有限元分析(FEA)。在有限元分析中,采用双线性软熔带模型(海内外)来模拟轨道板之间的接口和CA砂浆层。对于不同级别的冲击能量,接触力,纵向变形,吸收能量,界面破坏,面积和面积的分层计算和比较。的影响界面的切向和正常的刚度分布的界面损伤和分层。结果表明,接触力、垂直变形,吸收能量,界面破坏,面积和分层面积增加能量的增加的影响。界面破坏的面积在压缩阶段的切向刚度密切相关,而分层的面积取决于正常的刚度。正常的刚度,使最大的区域分层建议被视为正常的下界刚度控制分层和防止跟踪不规则的超过数限制。

1。介绍

中国铁路系统的符合无碴轨道结构板II型(crt II国家)是一个纵向连续分层结构,包括轨道板、水泥沥青(CA)砂浆层,和混凝土基础,如图1。它是专门用于高速铁路(高铁),因为它可以提供高铁路平滑和确保高舒适,稳定,高速列车的安全。crt二世在中国北部和东部国家广泛应用。2008年首先应用于京津高铁,然后利用2011年京沪高铁。到目前为止,crt II SBT应用程序的总里程超过9000公里,约26%的中国高铁总里程。

分层的crt II国家指的现象,从CA砂浆层轨道板分离或CA砂浆层分离的混凝土基础。它可以引起crt的屈曲II联合国家的两个轨道板和危及高速列车的安全运行1,2]。大量的分层被发现在京沪高铁,其中许多超过15毫米的高度限制所要求的“维护规则碴轨道高速铁路”在中国3]。例如,图2展示了一种分层观察到京沪高铁在2018年,大约长2000毫米,宽560毫米,2毫米高。分层可能发生在不同的阶段的crt II国家的建设和运营。可能发生在施工阶段,分层时跟踪板和CA砂浆层之间的顶部和底部之间的温差跟踪板表面大于20°C和将增长的共同作用下的整体温度上升轨道板的上表面和内部的垂直温差轨道结构(4- - - - - -6]。在操作阶段与火车轨道上运行,分层可能迅速扩张从火车通过额外的冲击载荷下6,7]。

在高速列车的运行过程中,车轮滚动,幻灯片,或者在铁路上弹跳。当车轮的反弹将高速不规则区域,如图3。目前当车轮落在铁路、车轮将生成一个垂直冲击力的铁路立即传播到子结构通过轨道。这种冲击负载非常不同的负载跟踪不规则的频谱中常用的动态响应分析vehicle-track系统[8,9]。然而,跟踪不规则频谱的高频振动,而相关铁路子结构的影响有限。界面损伤可能更密切相关的垂直影响轨道板直接从车轮弹跳比光谱跟踪不规则。很少有研究解决轮反弹造成的冲击力和更少的响应和损伤轨道板下的冲击力。冲击造成的损害更关心的是航空航天领域的复合材料(10- - - - - -13]和爆炸力学[14,15]。现有研究的冲击造成的损伤,损伤通常是评估从能量的角度,通过研究势能和动能的相互传播。同样,车轮垂直冲击造成的冲击能量由动能下降速度和势能有关由于车轮和轨道之间的高度差。虽然车轮的冲击速度远远慢于航空航天领域的爆炸,它仍然是值得解释输入负载从能量的角度探讨分层的生成和演化。车轮冲击能量和能量传播到轨道板,然而,无法评估的常用光谱跟踪不规则。

另一方面,crt II国家是一种复合的“三明治”结构,包含钢筋,CA砂浆,由骨料和混凝土,水泥,矿物粉。因此,研究分层的crt二轮的影响下国家本质上是一个复合材料中的界面损伤问题下垂直的影响。在铁路领域,很少有研究解决垂直轮的破坏影响和决定一个合理的范围内的冲击能量轮反弹。Kaewunruen等人认为从车轮垂直载荷影响速度为1.94米/秒可以相当于600公斤体重质量下降引起的从0.2米的高度16]。吴等人调查之间的关系破坏的混凝土板和爆炸载荷的大小通过改变爆炸,爆炸地点,和混凝土板的厚度17]。Yilmaz等人调查的损伤引起的混凝土板锤下降从不同高度18]。他们发现,影响能量越大,最大加速度越大,最大位移,界面损伤的区域。在航空航天领域,影响下的损伤通常是使用一个三维的渐进损伤分析方法分析,考虑损伤演化和刚度退化19- - - - - -21]。的方法,复合材料的界面通常是模拟使用的元素(22,23),描述的生成和发展的破坏的总刚度的变化紧密结合的元素。在本文中,采用3 d渐进损伤分析方法来模拟crt II机顶盒的损伤演化。crt II机顶盒模拟的界面粘性参数获得的元素比例模型推板测试。冲击能量的影响,界面上的键属性模拟界面损伤和分层进行了分析。

2。crt II垂直下国家影响的分析模型

crt II垂直的影响下国家的反应是使用有限元分析模拟。考虑到分层的crt二轮的影响下国家本质上是垂直下的界面复合材料内部损伤的影响,有限元模型包括三个部分:crt的分层模型II国家,软熔带模型(海内外)模拟了界面,和一个冲床,携带所有车辆的冲击能量。影响能源应用于分层模型估计基于质量,速度,和初始穿孔机的高度。图4显示了穿孔机和crt的分层模型II国家凝聚力元素的插入了一层。

2.1。分层模型的crt II国家和冲床

分层模型的几何和力学参数的crt II国家列在表中1根据(6]。长度、宽度和厚度的分层模型将是相同的作为一个真正的单元板。一层厚度10凝聚力元素⁻³m之间设置CA砂浆层和轨道板由于分层是最有可能发生在CA砂浆层的上表面(8]。轨道板、CA砂浆层和混凝土基础是建立使用固体元素。底部为所有节点和纵向边界的分层模型,约束条件是适用于所有六个自由度。冲床和轨道板之间的接触以及轨道板之间的接触和CA砂浆将很难正常方向的接触和摩擦的切线方向点球摩擦系数为0.3。其他联系人将领带。

如图3垂直速度的比值,可以假定为水平速度等于振幅的比值的不规则的波长的一半。因此,能量穿孔机携带的影响包括两个部分:势能与不规则的振幅和动能与初始垂直速度有关。火车的CRH380A高速,重量在一个轮子是6400公斤包括车身的重量,两个妖怪,四个车轮。根据我水平管理价值的“维护规则碴轨道高速铁路”(3),不规则的振幅是4毫米波长是30米(24]。300公里/小时的速度,轮子的总能量的即时反弹将257.5 J。因此,上限的冲击能量有限元分析(FEA)设置为300 J。另外六水平的冲击能量,20 J, 50 J, 100 J, 150 J, 200 J和250 J,也被认为是在有限元分析来评估影响能量的影响。冲击能量的变化是通过改变初始垂直速度的冲床1000公斤的体重球直径0.1米,从固定高度下降。

2.2。软熔带模型(海内外)

采用了一种双线性海内外来描述界面的力-位移关系过程中分层损伤起始,如图5。

假设 , ,和是正常的界面应力和两个切向方向,分别 , ,和相应的界面强度。无意中各向同性接口, 和 。根据双线性海内外,力-位移曲线的线性加载期间,增加刚度的斜率分别对正常和切线方向。力-位移曲线达到峰值时,启动界面破坏,四可以定量的判断标准: 在哪里 。损伤起始界面强度的压力,和 ,分别对正常和切线方向,而相应的位移和 ,分别。因此, 。

根据双线性海内外,软化损伤启动后的进化也是线性的。因此,压力损失发生后可以给出的 在哪里和位移和表示整体损伤海内外,它最初是零,然后逐渐演变,从0到1在进一步加载: 在哪里 在正常的方向 或 纵向或横向切线方向。当= 1时,出现分层。假设 的正常和切向位移是分层的时刻发生,分别对应的断裂韧性,和 ,可以测量的三角区域图吗5, 。断裂韧性的分层启动可以评估。可以判断,如果发生分层断裂韧性遵循以下方程:

海内外的参数是由模型试验中正常粘性参数决定从垂直推板测试,和切向粘性参数确定的水平推板测试。crt的标本第二国家的长度,宽度,和高度60 cm×20厘米×20厘米,保税基础上通过CA砂浆层与3厘米的高度。轨道板的混凝土的力学性能参数和基础表中列出的一样1。标本测试CA灌浆后28天。的设置垂直推板测试如图6。的跟踪石板垂直荷载应用于轨道板的中点。两个千分表放置20厘米距离中点在每一方。水平推板测试的设置如图7。水平测试,负载应用地理一端十字架的中心部分,和两个千分表水平排列在两端的标本。轨道板之间的相对位移和基准测试使用一个线性可变差动变压器(线性)。千斤顶同步工作的自动化控制系统提供一个恒定速率增加负载。力-位移曲线得到的垂直和水平推板测试数据绘制8和9,分别。和可以确定峰值应力的垂直和水平力-位移曲线,分别。和然后确定对应和 ,分别。之后,和可以计算使用 和 。 和视觉选择的位移后的力-位移曲线波动是轻微的。基于和 , 和可以计算使用 。确定粘性参数在图表示8和9和列在表2。

3所示。仿真结果

3.1。接触力

不同的接触力影响能量图所示10。为每个曲线在图10,提升部分代表的压缩阶段穿孔机按轨道板,而下降的部分描述了穿孔机的反弹阶段开始反弹。接触力到达峰值约为2×10⁻³无论冲击能量。最大接触力与能量和接触时间的影响与冲击能量图所示11。可以看到从图11,最大接触力与冲击能量线性变化。冲击能量的接触时间20 J能量要比其它类型的影响。冲击能量超过150 J后,接触时间不敏感的能量的影响。

3.2。垂直轨道板的变形

如图4之一,轨道板的两个长边,靠近穿孔机,选择垂直变形的插图。图12显示选中的边的垂直变形的时刻点达到最大变形的影响在压缩阶段。可以看到从图12,大部分的平板显示一个向下的压缩变形。冲击能量大于50 J时,会有一个向上的变形在轨道板由于双方约束应用于轨道板的结束。最大垂直变形影响点随着冲击能量的增加而增加,从0.2毫米的冲击能量20 J冲击能量的0.65毫米300 J。图13显示所选的垂直变形的轨道板的时候点达到最大变形的影响在反弹阶段。可以看到从图13,大部分的平板显示了一个向上拉伸变形。影响能量低于100 J时,会有一个向下的变形在轨道板由于双方约束应用于轨道板的结束。最大垂直变形影响点随着冲击能量的增加而增加,从0.1毫米的冲击能量20 J冲击能量的1.1毫米300 J。

的比值最大反弹变形(顶图13)和最大压缩变形(槽图12)对不同冲击能量计算,如图14。可以看到从图14,变形的比值增加随着冲击能量的增加。当冲击能量小于大约130 J,最大反弹变形小于最大压缩变形。300 J的冲击能量,最大反弹变形几乎是0.65毫米的最大压缩变形的1.7倍。冲击能量的20 J,最大反弹变形是超过0.11毫米表0.057毫米2。这表明,界面破坏将启动即使冲击能量是20 J。的最大反弹变形影响的能量150 J是0.51毫米,超过表0.5毫米2。这表明分层将发生150年冲击能量的J。

3.3。能量的转换

系统中能量的转换,由冲床和分层模型的研究。对穿孔机接触轨道板之前,整个系统的能量等于穿孔机的动能。冲床影响轨道板后,一部分动能匡威的内部能量分层的轨道结构。还会有一部分能量被吸收由于界面损伤和分层。

图15显示之间的转换动能,内部能量,吸收能量的冲击能量250 J。可以看到从图15、动能、内能有一个逆变化的趋势。以更大的动能是较小的内能。整个系统的总能量变弱随着时间的增长,而被吸收的能量增加。解释整个进度的影响,选择五个时刻和绘制在图15把整个过程分为几个阶段的影响。我代表了穿孔机触动的时刻跟踪板;第二行代表时刻跟踪板达到最大压缩变形;第三行代表的时刻跟踪板反弹回到平衡位置;第四行代表时刻跟踪板达到最大拉伸变形;行V代表时刻跟踪板移动回到平衡位置的最大拉伸变形。可以看到从图15内能迅速增加,最大值时刻之间的阶段I和II,然后下降到波谷之间的阶段II和III。前一刻三世,被吸收的能量会略微增加由于面积小和低振幅的界面剪切破坏。时刻三世之后,如果反弹位移超过 ,会出现拉伸破坏。当反弹位移超过 ,分层将启动。相应的被吸收的能量增加明显的快速扩张损伤和分层。

图16显示界面损伤和分层的分布在指定时刻的SDEG计算使用方程(3)。图(16日)代表时刻II损害发生在界面上。界面剪切应力引起的损伤主要是在压缩阶段。图16 (b)显示了界面剪切破坏时刻三世延伸至轨道板的边缘。图16 (c)显示了拉伸破坏的时刻发生在反弹阶段。图16 (d)说明了第四时刻当分层面积达到最大值。

3.4。界面损伤和分层对不同冲击能量

界面破坏的面积和分层不同的面积影响能量图所示17。可以看到从图17,两个区域增加能量的增加的影响。300年冲击能量的J,界面破坏的面积大约是8米²,占大约48.6%的轨道板的面积。300年冲击能量的J,分层的面积大约是2 m²,占大约12%的轨道板的面积。图17还表明,150 J是分层的临界冲击能启动。为列车运行300公里/小时的速度,冲击能量可以实现150 J如果动态不规则轨道的高度是2毫米。因此,在日常维护中,更要注意铁路与动态的高度不规则性大于2毫米。图18显示之间的关系影响能源和最大吸收能量,而对应的值被吸收的能量图的平台15。图18显示了一个明显的增加吸收能量与冲击能量的增加。300 J的冲击能量,能量吸收达到约40 J。

3.5。界面刚度对界面的破坏

界面上的界面刚度损伤的影响研究。我们第一次不同从1.0 MPa /毫米到2.0 MPa /毫米固定0.7 MPa /毫米,0.7 MPa / mm的冲击能量下300 J。图19显示的界面损伤的分布1.0 MPa /毫米和2.0 MPa /毫米。在图19,上部和底部两个面板显示界面损伤的分布达到最大垂直变形时在压缩和反弹阶段,分别。可以看到从图19在压缩阶段,大导致界面面积较大的损害。损坏是不对称由于沿横向边界效应。的影响在分层区域(图中空白区域)是轻微的。

然后,我们不同从1.0 MPa /毫米到3.0 MPa /毫米固定0.7 MPa /毫米,0.7 MPa / mm的冲击能量下300 J。图20.显示的界面损伤的分布1.0 MPa /毫米,1.5 MPa /毫米,分别和3.0 MPa /毫米。可以看到从图20.损害是对称分布沿轨道板的纵向方向。更大的导致界面损伤面积较大的压缩阶段。的影响在分层区域是轻微的。

图21显示了分层的最大区域的变异与切向刚度对各种正常的冲击能量下刚度300 J。可以看到从图21分层的最大区域不敏感的切向刚度时正常的刚度大于0.5 MPa /毫米。分层的面积时都成了最大的正常的刚度和切向刚度最小(0.2 MPa /毫米)。随着切向刚度的增加从0.2 MPa /毫米到0.7 MPa /毫米,提高债券行为的接口,因此,分层的面积迅速减少。图22比较的最大分层和区域之间的关系影响能量的200 J, 250 J,分别和300 J。图22表明,对于给定的冲击能量,分层不敏感的最大区域纵向切向刚度。

图23显示界面损伤的分布达到最大压缩变形时在压缩阶段和分层分布的最大拉伸变形时的反弹阶段的冲击能量下300 J。可以看到从图23,界面损伤的分布在压缩阶段几乎是相同的所有情况下除外2.0 MPa /毫米,这表明一个非常轻微影响正常的界面损伤在压缩阶段刚度。随着正常的刚度增加,分层显示的最大区域增加然后减少的趋势。这一趋势更明显在图24显示的最大分层面积的变化与正常的刚度不同冲击能量下的切向刚度300 J。

可以看到从图24为几乎所有的切向刚度,分层区域正常的刚度时达到最大值0.5 MPa /毫米。只有当切向刚度是0.2 MPa / mm,最大分层面积将达到正常刚度较小。图25比较的最大区域分层与正常刚度的影响能量200 J, 250 J,分别和300 J。图25表明,对于给定的冲击能量,分层面积达到最大值时,正常的刚度是0.5 MPa /毫米。

数据26和27显示所选的最大压缩和回弹变形的各种正常的轨道板刚度的冲击能量下300 J。在压缩阶段,轨道结构的接口是叠层板的连续性和均匀性假设理论。接口的正常刚度越大,变形能力越强的兼容性,因此最大垂直变形越小,如图26。在反弹阶段,也可以观察到更正常的刚度使较小的最大垂直变形除外0.2 MPa /毫米。正常的意想不到的小型垂直变形刚度的0.2 MPa / mm可能解释的能量自连续性和一致性假设无效是由于分层的存在。可以看到从图26,正常的0.2 MPa /刚度mm会导致一个非常大的垂直变形比其他正常的刚度。这个大变形将导致更大的能源消费的影响,因此会导致一个更小的能量留给穿孔机反弹。这就是为什么0.2 MPa / mm给低反弹变形和分层面积小于0.5 MPa /毫米。然而,还不能确认0.2 MPa / mm建议大于0.5 MPa /毫米,因为更大的压缩变形为0.2 MPa / mm将跟踪不规则的大挑战极限。因此,它是合理的采取0.5 MPa / mm的下界正常刚度满足要求的分层控制和跟踪不规则的极限。

4所示。结论

的进化crt二世的界面损伤和分层模拟垂直轮下的国家的影响。基于仿真,影响整个过程中能量的转换,力的变化影响,垂直轨道板的变形,界面损伤的分布,分布的分层不同冲击能量进行了分析。正常和切向刚度的影响界面损伤和分层进行了讨论。

主要结论包括(1)最大接触力冲床和轨道板之间的线性变化与冲击能量,而接触时间不敏感的能量的影响。在压缩变形回弹变形的比值也增加随着冲击能量的增加。20 J - 150 J冲击能量对应于界面的能量损伤起始和分层启动,分别。因此,对于列车运行的速度300 km / h, 2毫米的动态高度不规则性导致150 J能量的影响应该更担心。(2)在整个过程中,影响动能和内部能量成反比变化的趋势。以更大的动能是较小的内能。被吸收的能量增加迅速的扩张损伤和分层。冲击能量越大,越大能量吸收。(3)压缩阶段的界面损伤相关的切向刚度比正常的刚度,而分层的最大区域由正常的刚度控制。纵向切向刚度越大,面积越大,振幅压缩界面破坏的阶段。随着正常的刚度增加,分层显示的最大区域增加然后减少的趋势。总有一个关键正常出最大的分层区域刚度。这个关键价值取决于轨道结构的几何和材料特性。建议去找这个关键正常刚度控制分层和防止跟踪不规则的超过数限制。

这是第一个试验探讨界面损伤和通过考虑轮轨接触是一个垂直分层的影响。响应和冲击能量的影响之间的关系符合研究的复合材料(25]。这是一个初步尝试解释分层的一代的轨道结构能量的观点。本文集中于单一的影响表现出的能量转换和界面破坏的演变和分层。未来的分析可以进行界面的累积伤害循环下轮的影响。现场试验将是一个强大的工具来验证本文的模拟结果。然而,由于实验设施和成本的限制,目前仍缺乏全面测试有关crt II界面破坏的国家垂直轮所造成的影响。曾经有一个wheel-drop crt II国家的考验,,然而,只有轨道板的加速度记录(26]。界面破坏的发展并没有观察到由于技术困难。未来的工作也可以进行全面或比例模型测试的crt二轮的影响下国家在这项研究中,模拟结果可以验证。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(基金号。51708459和51708459),这个项目中国铁路科学技术研究发展有限公司有限公司(批准号K2020G007)和开放的基础Undergraduate-Oriented西南交通大学工程实践工程重点实验室(ZD2020010035)。

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