基于有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法

技术领域

本申请涉及轨道病害的技术领域，尤其涉及基于有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法。

背景技术

无砟轨道相较于有砟轨道，具有稳定性高、刚度均匀和使用寿命长等优点，已经得到了广泛的应用。CRTSⅡ型板式无砟轨道是我国对德国博格板式无砟轨道进行改进并再创新的一种新型高速轨道结构，由多层薄板结构组合而成，其结构自上而下为轨道板、CA（Cement Asphalt）砂浆层和支承层。该型轨道板目前已在我国的京沪、京津和沪杭等高速客运线路上得到了非常广泛地使用，但随之使用时间的增长，各种结构性病害也逐渐出现。根据实际调研，CA砂浆层和轨道板之间的脱空离缝病害是较为常见的病害。

CA砂浆层脱空从小范围开始，发展迅速，在列车的冲击动载荷和自然环境的影响下，容易发展成横向完全贯穿的状态，大量现有研究表明脱空长度对于列车运行的安全性影响最为明显。现有轨道板脱空检测方法以定性检测为主，即发现脱空，但不能定量的给出脱空的长度信息，仍然需要依靠人工现场测量，这无疑大大增加了工作量且效率极低，急需一种快速且可靠的脱空长度估算方法，替代人工检测。

基于有限元模型可以获取轨道板各种瞬时动态响应指标，为实现脱空长度的准确估算，其关键在于建立起CA砂浆脱空与各种动态响应指标之间的有效关联。由于列车运行速度的变化导致各响应指标也在不断变化，大大增加了定量分析脱空长度和轨道动态响应指标之间关系的不确定性，此外，不同脱空长度也会改变轨道的动态响应指标，如何在上述多种不确定因素的干扰下最优的估算出脱空长度与轨道板瞬时动态响应指标之间的映射关系，为实际的轨道板脱空长度估算提供准确的数值参考，是本专利重点解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供基于有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法，通过建立列车-轨道有限元动力学模型，研究列车以不同速度通过不同长度的CA砂浆脱空病害区域时，轨道板表面产生最大变形速度的位置，通过变形速度计算并分析轨道板弯沉斜率的变化规律及其与脱空长度的关系，进而实现无砟轨道CA砂浆层脱空长度的动态估算。

本申请提供一种基于有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法，包括：

建立列车-轨道有限元动力学模型，并预置所述车辆-轨道有限元动力学模型相关的初始仿真参数，所述初始仿真参数包括列车运行速度和脱空长度；

根据所述列车-轨道有限元动力学模型和初始仿真参数，得到轨道板的最大变形速度分布数据；

根据线性递减粒子群优化方法，由所述最大变形速度分布数据得到轨道板的变形速度测量最优位置；

根据所述变形速度测量最优位置，得到轨道板弯沉斜率分布数据；

由所述轨道板弯沉斜率分布数，获得脱空长度与弯沉斜率对应的映射关系，并基于该映射关系由实测脱空长度获得待估算的脱空长度。

可选地，所述初始仿真参数的脱空长度为0、0.65、1.3、1.95、2.6、3.25和3.9m，该一系列的脱空长度数值对应的不同脱空区域脱空中心均位于同一处。

可选地，得到最大变形速度分布数据，包括：

获取不同列车运行速度下通过脱空区域时轨道板的瞬时变形速度；

基于最大变形速度发生在脱空中心及附近区域的预设规则，并根据所述瞬时变形速度，确定最大变形速度。

可选地，所述初始仿真参数还包括列车长度。

可选地，所述初始仿真参数的列车运行速度为100km/h、200km/h和300km/h。

可选地，根据线性递减粒子群优化方法得到变形速度测量最优位置，由以下公式获得，

其中，

可选地，在所述映射关系中，每个脱空长度对应的两个弯沉斜率值为脱空中心位置处的弯沉斜率最大值和最小值。

因此，本申请具有如下有益效果：

（1）现有技术中脱空条件下的有限元仿真分析仅限于得到轨道板的变形速度，并未进行深入挖掘，且轨道板变形速度受列车运行速度的影响，无法真正建立起轨道板变形速度和脱空长度之间的关联。本专利提出了基于有限元模型的CRTS-II无砟轨道CA砂浆层脱空动力影响分析方法，通过设置有限元仿真的脱空条件，轨道板变形速度测量点的选择，基于线性递减粒子群优化算法确定动态条件下，轨道板表面最优变形速度的测量位置，计算最优位置处的弯沉斜率，进而建立起脱空长度和弯沉斜率之间的有效映射关系。实现了在动态条件下，依据轨道板变形速度的变化实现脱空长度的估算，无需建立复杂的数学关系。

（2）在动态条件下，列车轮对通过脱空区域时会在轮对前方不同位置处产生不同的变形速度，为了实现对不同脱空长度更有效的区分，需要选取一个距离列车轮对中心固定距离的位置，能够最大程度的满足不同速度和脱空长度下轨道板变形速度测量的需求。本专利提出一种基于线性递减粒子群优化方法求解轨道板最优变形速度测量位置，计算每种条件下出现最大变形速度的位置距离对应时刻轮对中心的距离差，然后与待求解的最优检测距离做差，取其绝对值的和作为求解的适应度函数S。求解后可得到一个最优测量距离，该距离能够最大限度的满足不同运行速度和不同脱空长度条件下，对于轨道板变形速度测量的普适性，在实际测量中无需限制列车运行的速度，能够兼容测量多种脱空长度。

本申请提出的估算方法基于有限元仿真模型，通过求解最优速度测量位置，能够实现列车运行的动态条件下，直接根据轨道板弯沉斜率的变化，实现对不同脱空长度的有效区分，建立了二者之间的有效关联，不受列车运行速度和脱空长度的影响，可满足实际测量的需求。

附图说明

下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1 为本申请的车辆-轨道有限元动力学模型；

图2 为本申请CA砂浆层脱空设置及测点分布示意图；

图3 为本申请的脱空长度动态估算方法总体流程图；

图4 为本申请的轨道板最大变形速度位置分布；

图5 为本申请的不同速度和脱空条件下弯沉斜率分布曲线；

图6 为本申请的脱空长度和弯沉斜率映射关系图线图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

请参阅图3，本申请提出有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法，该方法的处理流程，包括以下步骤。

S1：建立列车-轨道有限元动力学模型，并预置所述车辆-轨道有限元动力学模型相关的初始仿真参数，所述初始仿真参数包括列车运行速度和脱空长度。

具体而言，首先首先建立车辆-轨道有限元动力学模型，模型选择梁-实体模型，可以更加真实的反映无砟轨道的实际受力与变形情况。其中，钢轨采用梁单元模拟，轨道板、砂浆层、支承层和陆基均采用实体单元模拟，扣件采用弹簧单元模拟，其余连接均采用接触单元模拟。

梁-实体模型需要计算海量的节点数量，为了减少运算量，建立实际路基轨道一半的轨道地基模型，最终建模结果如图1所示。

作为一种示范性的初始仿真参数，其可以考虑到列车的整体车长，同时为了消除模型的边界效应，模型共由20块轨道板组成，长度为129m。

初始仿真参数的脱空长度，可以示范性地为，在CA砂浆层纵向上设置的脱空长度分别为0、0.65、1.3、1.95、2.6、3.25和3.9m，高度上完全脱空，尽可能涵盖可能出现的脱空病害，提高结果的可靠性。

在动力学仿真参数设计上，选择100km/h、200km/h和300km/h三种运行速度。

S2：根据所述列车-轨道有限元动力学模型和初始仿真参数，得到轨道板的最大变形速度分布数据。

经过S1的建模和参数设置，可仿真得到多种有关轨道板的动态响应指标。为了重点分析轨道板变形速度和脱空长度之间的关系，因此统计三种运行速度下，不同时刻轨道板产生最大变形速度的时刻及位置，如图4所示。

在上述条件下，前文已述，设置100km/h、200km/h和300km/h三种运行速度，列车以上述三种速度通过0.65-3.9m共7种脱空长度的区域，记录并分析列车轮对通过脱空区域时轨道板的瞬时变形速度。列车轮对以这三种速度通过不同长度的脱空区域时，最大变形速度发生的位置集中在脱空中心及附近区域，随脱空长度和列车轮对相对位置的不同而变化，记录所有出现轨道板最大变形速度的具体位置。

S3：根据线性递减粒子群优化方法，由所述最大变形速度分布数据得到轨道板的变形速度测量最优位置。

具体而言，基于得到的轨道板最大变形速度位置分布信息后，需要确定一个对于轨道板变形速度的最优测量位置，能够满足多种速度和脱空长度的动态测量需求。

采用线性递减粒子群优化算法的具体示范可以为：首先设置目标适应度函数S，计算每种条件下出现最大变形速度的位置

。

S4：根据所述变形速度测量最优位置，得到轨道板弯沉斜率分布数据。

具体而言，基于步骤三得到的最优速度测量位置，计算对应的轨道板弯沉斜率，最终可得到三种列车运行速度下，轨道板弯沉斜率的分布曲线，如图5所示。

S4、根据所述变形速度测量最优位置，得到轨道板弯沉斜率分布数据。

具体而言，在脱空中心处，弯沉斜率的变化达到峰值，在100km/h、200km/h和300km/h三种运行速度的条件下，不同脱空长度对应的弯沉斜率出现了明显的区分带，在对应区域内的脱空中心处，存在最大值max和最小值min，取该最大和最小值作为对应脱空长度的映射值。

在脱空中心位置处，每个脱空长度区域内均有3组弯沉斜率数据，自上而下对其进行编号，除无脱空的情况外，共得到18个弯沉斜率数据。对脱空长度0.65、1.3、1.95、2.6、3.25和3.9m分别编号为1-6。此时，如图6所示，六种脱空长度均可建立起与弯沉斜率对应的映射关系。其中每个脱空长度对应的两个弯沉斜率值为脱空中心位置处的弯沉斜率最大值和最小值。最后，根据实测的轨道板弯沉斜率可查找对应的脱空长度，实现脱空长度的自动估算。

再次需要提醒的是，本申请对现有技术明显产生了以下智慧贡献：

本申请提出一种基于有限元仿真的无砟轨道CA砂浆层脱空长度的估算方法，利用有限元模型数值仿真手段，获取列车动载荷下轨道板变形速度的数据，记录最大变形速度产生的时刻和位置，基于线性递减粒子群优化算法，设置目标优化函数，求解列车轮对作用下测量轨道板变形速度的最优相对位置，基于最优位置处的轨道板变形速度，计算得到轨道板的弯沉斜率变化情况，进而建立起脱空长度与轨道板弯沉斜率之间的映射关系，实现无砟轨道CA砂浆层脱空长度动态估算，为同类型的无砟轨道板脱空长度的估算提供一种全新的解决方法。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。