城市无砟轨道扣件系统动力性能分析

摘要：本文通过有限元分析软件ANSYS建立无砟轨道结构的数值分析模型。通过对模型的数值计算分析，以轨道结构钢轨位移、钢轨加速度和扣结点反力等为指标评价轨道结构的动力学性能.绘制这些指标随扣件参数的变化趋势曲线，通过曲线的走向可以很清晰地了解不同扣件结构刚度对轨道结构动力响应的影响，从而评价确定合理的扣件结构参数。关键词：轨道 扣件 有限元 刚度 中图分类号：U213

文献标识码： A0 引言列车在轨道上行驶，作用在轨道结构上的力主要有两部分：一是车辆自重对钢轨形成的静载，二是列车运动过程中对轨道结构产生的振动荷载。列车运行速度的不断提高，振动产生的动力荷载效应越来越明显，仅仅对轨道结构进行静力分析已经不能满足实际需要。对轨道结构进行动力分析已经越来越重要。随着计算机技术的发展，对复杂结构的动力分析变得有可能。采用动力分析模型，可以模拟轨道结构不同参数对轮轨动力的影响，从而指导轨道结构的设计和扣件参数的确定。1 ANSYS建模

1.1选取模型参数本动力分析主要考虑扣件参数（主要表现为橡胶垫板的刚度）变化对轨道结构动力性能的影响。1.2建立模型根据I型板式无砟轨道的基本组成结构（如图1.1），建立合理的ANSYS分析模型。建模过程中作出如下的简化处理分析：图1.1I型板式无砟轨道的基本组成结构钢轨采用弹性点支撑梁模型，扣件采用线性弹簧模拟，轨道板、CA砂浆及底座板根据其实际拓扑形状采用实体单元进行模拟，并做适当简化处理，不考虑轨道板的间隔。理论上，钢轨被当做一根无限长的欧拉梁，但实际分析表明，当钢轨计算长度取足够长（大于10m）时，相邻两计算载荷截面的影响可以忽略不计，因此将钢轨视为一段一定长度（取24m）的欧拉梁就能取得满意的结果。扣件对钢轨的支承简化为按一定间距排列的双层弹簧阻尼系统。上层弹簧阻尼系统模拟的是轨下胶垫，下层弹簧系统模拟的是铁垫板下的槽型橡胶垫。ANSYS实际建立的模型如下图： 图1.2 模型平面图图1.3划分网格后的计算模型模型中，钢轨长度为24m，采用beam188截面梁单元，为了便于划分网格和节省计算时间，钢轨截面采用形状近似的工字梁替代。24米长钢轨划分为400段beam188梁单元，梁单元长度为0.06m，这个单元长度越小，越接近移动荷载的施加，得到的数据越准确，但同时也需要电脑运行更长的时间。因此需要在精度和运行时间上找到一个平衡，经过多次试算，确定单元长度为0.06米时能够同时满足一定的精度要求，同时运行时间也能够接受。1.3施加荷载瞬态分析中所输入的分析时间步长对分析结果影响很大，如果如果时间步长过大，虽然计算运行时间段，但往往结果偏差很大；如果积分时间步长过短，虽然精度保证了，但会造成计算运行时间的浪费。一般将分析时间步长设为最高阶阵型周期的1/10比较合适，这里采用试算的方法最后确定合理的时间步长10-5s。将车辆荷载近似模拟为随时间变化的三角形荷载，荷载的作用图式如图1.5。 图1.5 荷载作用图式由于车辆荷载作用在节点时是个瞬间作用后随即消失的一种冲击荷载，所以在这里将其近似地模拟为最大值为F=P/2（P为车辆轴重）随时间变化的集中荷载，其中时间t1和t2的时间差由车辆的速度和所建模型的节点间距来确定。t1=单元长度/车速=t2=2×t1=0.0054s2 动力性能分析在分析刚度对动力性能的影响时，模拟钢轨垫片和轨枕垫片的弹簧阻尼均取固定值8×104Ns/m轨下胶垫刚度考虑20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm四种情况；弹性垫层刚度考虑40KN/mm、50KN/mm、60KN/mm、70KN/mm、80KN/mm、90KN/mm、100KN/mm七种情况，对每组刚度进行组合共28组。评价轨道结构动力学性能的指标有很多，主要有：扣件支点反力（即传到基础的压力），钢轨位移，钢轨振动加速度等。这里采用ANSYS瞬态分析在速度为80km/h时，不同扣件参数对钢轨动力学性能的影响。轨下垫板为80KN/mm、弹性垫层刚度为100KN/mm时得到下面一系列数据：图2.1部分节点数据结果 图2.2 钢轨部分节点位移时程曲线图2.3t=0.504s轨道垂向应力云图

图2.4t=0.504s轨道垂向位移云图更改扣件的刚度参数重复计算得到不同刚度对应钢轨最大加速度列表显示如下：