基于真实几何特征的碎石道砟颗粒形态重构

碎石道砟颗粒的几何形态特征是影响散粒体道床物理力学性质的重要因素之一,对其颗粒形态特征的合理描述是研究道床力学行为以及揭示道床劣化机理的关键。利用平面图形分析法提取道砟的轮廓特征,通过快速傅里叶变换和响应面法建立道砟几何尺寸与傅里叶描述符之间的映射关系,提出基于真实几何特征的碎石道砟颗粒形态重构方法,并引入相似度指标评估重构道砟颗粒形态的准确性。研究结果表明:道砟长度、最小外接圆半径和最大内切圆半径对傅里叶描述符D 2、D 3、D 8有显著影响,可以采用这些指标建立响应关系;基于真实几何特征的碎石道砟颗粒形态重构法可以较好地反映轮廓的细节特征,通过该方法得到的道砟颗粒形态与真实道砟颗粒形态的平均相似度在95%以上。

真实道砟颗粒的离散元建模及惯性特性优化

道砟颗粒外形及其惯性特性的模拟是进行有砟道床力学分析的基础。本文基于CT扫描技术提出一种可重复获得唯一道砟颗粒模型的离散元建模方法,该方法由基本球体最小半径Rlim和有效空间系数K控制,利用基本球体单元重叠组合模拟道砟颗粒的外形,计算程序与起始网格节点和计算顺序无关;选取关于质心的惯性张量作为优化目标,对基本球体进行差别分配密度,优化模型惯性张量;最终实现真实道砟颗粒的外形建模和模型惯性张量优化。分析结果表明:该建模方法和惯性特性优化能够满足道砟材料数值模拟计算的基本要求。

三枕捣固作业过程中道砟细观运动及能量演变分析

使用大型捣固车对有砟轨道进行作业,是改善道床质量状态最有效方法和通用手段,是保障列车安全运营的必然选择。但我国大型养路机械源于引进国外技术,对捣固车捣固作业机理认识不足,无法进行科学养护维修。为加深对目前铁路养修作业中常用DWL-48捣固稳定车的三枕捣固装置作业过程的认识,该文借助离散元与多体动力学协同仿真分析方法,建立了三枕捣固装置-轨排-有砟道床三维空间精细化耦合仿真模型,并结合现场实测结果验证了模型的正确性,分析了捣固作业动态过程中道砟颗粒平动、转动特性及能量演变规律。研究结果表明:捣镐对道砟颗粒平动、转动和能量的影响主要位于枕下0 mm~175 mm区域;道砟颗粒速度与角速度变化规律具有很好的同步性,有助于快速填充枕下空隙。捣固作业过程中捣镐采用“道砟平动为主,转动为辅”的方式填充枕下空隙,并且在该过程中伴随着道砟颗粒平动动能、旋转动能逐渐向道砟颗粒势能的不断演变。

循环直剪试验对道砟剪切性能影响的研究

研究目的:为研究循环剪切对道砟颗粒的影响,采用离散元法对道砟进行大型直剪试验仿真,根据试验数据验证模型的正确性,并在此基础上对其进行双向循环剪切,模拟并分析循环剪切、法向荷载、脏污程度等各种工况对道砟应力应变、剪胀、接触力分布各向异性等性能的影响。研究结论:(1)道砟的剪切应力随法向荷载的增大而增大,随污染程度的增大而减小;(2)循环剪切后,道砟颗粒的分布更加密集,即经过循环剪切的道砟集料体积压缩量随法向荷载、污染程度、循环次数的增多而加大;(3)不同循环次数、不同脏污程度下,道砟颗粒间法向接触力分布呈“8”字形、切向接触力分布呈“X”形;(4)法向和切向平均接触力大小均与法向加载力呈正比,与脏污程度和循环次数呈反比,即道砟脏污和循环作用会降低颗粒间的法向和切向接触力,弱化道砟颗粒的力学性能,增加其恶化的可能性;(5)本研究结论可应用于有砟轨道方面的研究。

基于最小投影的离散元道砟模型的粒径识别

道砟颗粒形状和粒径级配对道砟道床沉降和变形有重要影响,因此采用离散元法研究道砟道床沉降问题时,需要建立反映道砟颗粒形状的模型,并合理评估颗粒模型的大小。本文利用计算几何凸包理论,建立了随机凸多面体,以模拟道砟颗粒的形状;提出了基于最小投影矩形包围面的粒径评估方法,对道砟颗粒模型的粒径大小进行了分析,并基于道砟颗粒模型的包围长方体,分析了道砟颗粒模型的针状和片状情况。分析结果表明:随机多面体道砟颗粒模型能够较好地模拟道砟颗粒形状;采用最小投影矩形包围面的评价方法能够真实地反映多面体道砟颗粒模型的粒径,该评价方法比等效粒径评价方法更精确;利用道砟颗粒模型包围长方体的数值判别方法,能有效识别随机道砟颗粒模型的针片状情况,控制针状颗粒和片状颗粒的数量。

三枕捣固作业中捣镐夹持力对有砟道床作用效应影响研究

为研究三枕捣固作业中捣镐夹持力与有砟道床状态间的联系,基于计算机成像技术构建多面体道砟颗粒,考虑捣镐与道砟间复杂传力过程,提出利用虚拟单元模拟夹持油缸作用,采用DEM-MBD耦合算法及Hertz-Mindlin Nassauer Kuna本构关系建立三枕异步捣固装置-轨排-有砟道床耦合分析模型,并借助自行研制的三向振动测试传感器(TAB)获取试验数据验证仿真模型的正确性。在此基础上,揭示夹持阶段道床内部道砟颗粒接触力组构的演变过程,并利用数理统计原理从宏细观角度分析捣镐夹持力对轨枕力学状态、道砟颗粒运动特征、道床局部区域密实度及道床刚度的影响。研究结果表明,在夹持阶段道床内部的道砟颗粒法向和切向接触力合力分布均存在明显的各向异性;枕底区域对夹持力的敏感程度较高;较小和较大的夹持力均会导致枕下上部区域道砟颗粒速度分布数学期望值和方差偏大,不利于该区域道砟颗粒的密实稳定;当夹持力为7.8 kN时,道床刚度可达最大值41.43 kN/mm,轨枕接触状态良好。因此,现场线路维修时应根据起道量定制化捣镐夹持力,建议当起道量为30 mm时,一对捣镐夹持力取为7.8 kN可保证三枕捣固作业质量。