PDF《徐庆元轨道参数对无缝道岔组合效应的影响_徐庆元》

1 无缝道岔组合体系力学模型原理 道岔群中无缝道岔的组合型式复杂多样 ,现以 图 1所示道岔组合为例 ,说明组合无缝道岔有限元 实现原理 ,将道岔及前后一定范围内轨道结构看作 一个由钢轨、轨枕和道床连接起来的平面框架. 图1无缝道岔力学计算模型 Fig.

1 Mechanics model of w elded turnout structures 分析模型中采用如下基本假定: ( 1)尖轨随温度变化而自由伸缩 ,在计算模型 中 ,不考虑尖轨对整个道岔区纵向力分布的影响. ( 2)钢轨按轨枕支承节点及连接钢轨的非线性弹 簧起终点划分单元 ,岔枕以 0.

1 m间距划分单元. ( 3)道床纵向阻力、扣件纵向阻力、导轨与基本 轨连接的间隔铁、翼轨与心轨连接的间隔铁阻力、道 岔侧向与区间线路连接的接头阻力均用非线性弹簧 模拟. 道床、扣件、间隔铁、道岔侧向接头纵向阻力拟 合公式为 r = T y

1 s ( y <

ymax ) T y

1 s max ( y≥ ymax ) 式中: r 为非线性弹簧纵向阻力;

y 为非线性弹簧变 形量;

ymax为非线性弹簧滑移开始时的变形量;

T 、 s 为拟合系数 (拟合系数根据纵向阻力拟合实验曲线 确定 ,本文对于道床纵向阻力 ,s 取值 2,扣件纵向阻 力,s取值 3). 为了使程序对限位器等分段线性弹簧单元 (起 始段刚度为 0)也能方便加以处理 ,提高程序通用 性 ,对于所有非线性弹簧 ,都用分段线性弹簧模拟. ( 4)每根轨线下的道床纵向阻力随岔枕的长度、 岔枕位置不同而异 ,引用单位枕长道床纵向阻力作 为计算参数 ,该值乘以岔枕长度即为单根岔枕的纵 向阻力. ( 5)连接基本轨和导轨的连杆两节点按主从自 由度节点处理 ,具有相同的线位移;

连接翼轨和心轨 的连杆两节点也按主从自由度节点处理 ,具有相同 的线位移;

为了使该模型通用固定辙叉道岔 ,程序对 固定辙叉道岔作了以下处理: 固定辙叉钢轨断面尺 寸取为普通钢轨断面尺寸 2倍 ,固定辙叉与心轨连 接的非线性弹簧其轴向力与位移关系如下 P E F = u l - T T 式中: P 为非线性弹簧轴向力;

E 为钢轨弹性模量;

F 为钢轨断面尺寸;

u 为非线性弹簧的变形量;

l 为 非线性弹簧的长度;

T 为钢轨线膨胀系数;

T 为温 升 ,即该非线性弹簧具有正常钢轨的变形能力 ,为了 保证固定辙叉作为一个整体参与变形 ,在同一轨枕 上两内侧轨线上的钢轨节点假定具有相同的纵向位 移 ,以主从自由度节点处理. ( 6)为了减少系统自由度 ,提高求解效率 ,设钢轨 节点只有纵向位移 ,轨枕节点只有纵向位移和转动.

2 无缝道岔有限元力学模型 钢轨单元只考虑纵向位移 ,其压缩总位能为 EF 2l (uj - ui - T l T)2 其一阶变分为 [W ui W uj ] E F l

1 -

1 -

1 1 ui uj + [W ui W uj ] EFT T - EFT T 梁单元弯曲总位能为 ∫ l

0 Md θ

2 =∫ l

0 E Iu ″

2 d(u ′ ) dz dz = EI

2 ∫ l

0 (u″ )2 dz 其一阶变分为 [W ui W θ i W uj W θ j ] E I l

12 l

2 6 l -

12 l

2 6 l

6 l

4 -

6 l

2 -

12 l2 -

6 l

12 l2 -

6 l

6 l

2 -

6 l

4 ui θ i uj θ j 模拟道床阻力非线性弹簧压缩总位能为: ∫ u

0 uk (u) du,其一阶变分为 W uk(u )u. 非线性弹簧 (模拟限位器阻力、辙跟阻力、翼轨 与心轨阻力、侧向接头阻力 )总位能为 ∫ u j - u i

0 zk (z ) dz

8 交通运输工程学报2003年 其一阶变分为 [W ui W uj ]K (uj - ui )