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基于离散元-有限差分耦合的轨枕垫对有砟道床横向阻力的影响机制

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 457-472页

作者：谭攀肖源杰姜钰王萌王小明张冲冲 TUTUMLUER Erol 中南大学土木工程学院湖南长沙410075 重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学) 湖南长沙410075 伊利诺伊大学香槟分校香槟61801美国

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路... 详细信息

轨枕垫(USP)因其良好的减震性能已广泛应用于铁路轨道结构,现有研究大多集中于USP对轨道结构刚度和振动响应的影响,但对有砟道床横向阻力影响的研究很少。为深入分析USP对道床横向阻力的影响并揭示其作用机理,建立轨枕-USP-有砟道床-路基三维系统的精细化离散元-有限差分(DEM-FDM)耦合数值模型,采用典型重载铁路有砟道床横向阻力现场实测结果对模型进行标定和验证,进而模拟分析不同工况组合下USP对轨枕不同位置处(枕底、枕侧和枕端)的横向阻力、道砟颗粒运动和粒间接触力等宏微观指标的影响机制。研究结果表明:在相同的轨枕横向位移下,相较于无USP的轨枕,带USP的轨枕其枕底道砟颗粒运动范围更大,横向阻力也更大,且横向阻力增加部分主要来源于枕底USP的不平整性;USP刚度越大,道床横向阻力也越大;采用USP可增加枕底的横向剪应力和最大法向接触力,且两者数值均随USP刚度的增大而增大。

关键词：铁路轨道有砟道床道砟轨枕垫横向阻力离散元-有限差分耦合

多围压下三轴压缩试验与不可破裂颗粒离散元法分析

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工程力学 2015年第10期32卷 82-88页

作者：井国庆王子杰施晓毅北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 苏州市轨道交通集团有限公司苏州江苏215000

采用大型三轴试验仪器对道砟散体材料进行试验,重点研究不同围压条件下三轴试验力学特性与影响规律。同时基于离散单元法(DEM),采用非破裂不规则颗粒簇,在伺服条件下建立道砟三轴试验散粒体模型,对道砟颗粒在不同围压下进行相关数值三... 详细信息

采用大型三轴试验仪器对道砟散体材料进行试验,重点研究不同围压条件下三轴试验力学特性与影响规律。同时基于离散单元法(DEM),采用非破裂不规则颗粒簇,在伺服条件下建立道砟三轴试验散粒体模型,对道砟颗粒在不同围压下进行相关数值三轴模拟,探讨偏应力、体应变、围压、体积应变与轴应变之间的关系,反映道砟基本力学特性。研究结果表明:采用离散单元方法进行数值模拟与室内三轴试验得到的一系列应力-应变规律基本一致,验证了离散单元法在道砟研究中的可行性与可靠性。同时,围压对道砟散体变形、最大偏应力、偏应力比值具有影响,其中随着围压提高道砟变形降低,因此在有砟道床设计和养护维修中,增大道床围压可降低道床沉降与变形。

关键词：道砟三轴试验离散单元法围压变形

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基于响应面法的碎石道床离散元模型参数研究（英文）

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Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2019年第9期20卷 685-700页

作者： Jie-ling XIAO Gan-zhong LIU Jian-xing LIU Jia-cheng DAI Hao LIU Ping WANG MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering Southwest Jiaotong UniversityChengdu610031China School of Civil Engineering Southwest Jiaotong UniversityChengdu610031China Railway Engineering Research Institute China Academy of Railway Sciences Group Co.Ltd.Beijing100081China

目的:采用响应面方法研究特级道砟休止角的离散元参数仿真试验,建立多次回归模型并对其进行优化,以及对道砟接触参数进行优选。通过多参数的响应面法为碎石道床离散元参数的快速标定提供有效途径。创新点:1.基于响应面法对离散元道砟接... 详细信息

目的:采用响应面方法研究特级道砟休止角的离散元参数仿真试验,建立多次回归模型并对其进行优化,以及对道砟接触参数进行优选。通过多参数的响应面法为碎石道床离散元参数的快速标定提供有效途径。创新点:1.基于响应面法对离散元道砟接触参数进行统计分析,提出道砟最优参数的回归方程及回归曲面。2.以道砟堆积体在多个正交平面的均值为道砟休止角,构建基于一致线性描述方式的道砟休止角实测试验与离散元仿真试验。3.提出道砟参数的动态标定思想。方法:1.通过道砟休止角的室内试验,测量出道砟休止角度的有效均值。2.以实测结果为目标,采用响应面法对道砟离散元仿真参数进行优选。3.验证所提方法的可行性和有效性。结论:1.通过采用休止角的4个正交面取均值的方法对中国特级道砟休止角进行实测所得到的平均值为(39.78±1.27)°。2.以实测结果为目标,采用响应面方法对特级道砟离散元仿真参数进行优选,由方差分析可得2个显著的一次项参数(静摩擦系数和滚动摩擦系数)以及多个显著的多次项参数组合;最优参数组合为:泊松比为0.24,密度为2600 kg/m^3,杨氏模量为5.45×1010 Pa,碰撞恢复系数为0.72,静摩擦系数为0.56,滚动摩擦系数为0.27。3.利用特级道砟离散元最优参数建立了离散元轨排模型,并进行了轨枕横向阻力试验;仿真结果与室内试验实测阻力曲线趋势基本一致,表明响应面法获得的接触参数取值可用于碎石道床相关的离散元仿真。

关键词：有砟轨道道砟离散元参数标定响应面法

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基于离散元方法的道床捣固及吹砟维护机理

西南交通大学学报 2024年第2期59卷 256-263,306页

作者：陈成饶文锦李文俊张磊汤语嫣武汉理工大学土木工程与建筑学院湖北武汉430000 中国港湾工程有限责任公司北京100027

为从细观上研究捣固和吹砟的维护机理,建立了离散元道砟箱数值模型,并耦合多体动力学的捣固镐模型和计算流体力学的吹砟管模型,对捣固与吹砟的作业全过程进行可视化模拟,基于离散元耦合数值模拟,对比分析了2种道床维护方法对道床扰动及... 详细信息

为从细观上研究捣固和吹砟的维护机理,建立了离散元道砟箱数值模型,并耦合多体动力学的捣固镐模型和计算流体力学的吹砟管模型,对捣固与吹砟的作业全过程进行可视化模拟,基于离散元耦合数值模拟,对比分析了2种道床维护方法对道床扰动及作业后轨枕沉降.结果表明:吹砟作业各阶段对道床的扰动和道砟平均接触力均小于捣固,且扰动主要集中在下插阶段,吹砟作业过程中道砟颗粒速度峰值和接触应力峰值仅为捣固的37.5%和38.9%;捣固后,轨枕底部区域密实度提高了约13.6%,轨枕间上部和下部区域密实度分别降低了约21.0%和提高了约4.8%;吹砟后,轨枕底部区域密实度提高了约6.5%,轨枕间上部和下部区域密实度几乎无变化;在轨枕底部吹入碎石,吹砟作业极大地改善了轨枕底的接触状态和应力扩散,轨枕与道砟颗粒接触数增加了约243%,荷载传递更均匀;1000次循环加载后,吹砟作业后的轨枕沉降相较捣固和未维护工况分别减少了约18.1%和44.4%.

关键词：道砟离散元捣固吹砟道床维护

有砟梯式轨枕轨道减振性能的理论分析与试验研究

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振动与冲击 2015年第6期34卷 62-66页

作者：马蒙刘维宁刘卫丰李玉路金浩北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081 北京易科路通铁道设备有限公司北京100044

为实验室铺设有砟、无砟两种梯式轨枕轨道,用自由落锤激励装置对两种梯轨减振性能进行对比研究。建立有砟梯轨、有砟普通轨道的数值模型,利用试验测试结果对模型进行验证。通过在模型中施加货运列车荷载对比两种有砟轨道减振性能。结果... 详细信息

为实验室铺设有砟、无砟两种梯式轨枕轨道,用自由落锤激励装置对两种梯轨减振性能进行对比研究。建立有砟梯轨、有砟普通轨道的数值模型,利用试验测试结果对模型进行验证。通过在模型中施加货运列车荷载对比两种有砟轨道减振性能。结果表明,有砟梯轨减振性能不及浮置式梯轨,在低频段有一定减振能力,20 Hz以下振动经道砟平均衰减25 d B,对控制重载货运列车环境振动具备潜在优势;梯式轨枕对分散列车冲击振动、降低时域内峰值有明显优势。

关键词：梯式轨枕轨道道砟振动试验减振轨道数值分析

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换枕车扒砟过程中扒齿下插阻力特性研究

铁道科学与工程学报 2019年第5期16卷 1324-1329页

作者：柳波陈果文圣明孙凯中南大学机电工程学院

基于莫尔库伦准则,研究换枕车扒齿在匀速垂直下插过程中道床的极限平衡状态以及扒齿下插阻力的变化规律。采用离散元法建立扒齿与道砟间的作用模型,从力链尺度上分析道床的失稳破坏与扒齿阻力的变化机理。研究结果表明:道床在极限状态... 详细信息

基于莫尔库伦准则,研究换枕车扒齿在匀速垂直下插过程中道床的极限平衡状态以及扒齿下插阻力的变化规律。采用离散元法建立扒齿与道砟间的作用模型,从力链尺度上分析道床的失稳破坏与扒齿阻力的变化机理。研究结果表明:道床在极限状态下所发生的剪切滑移是引起扒齿底部道砟颗粒间力链迅速弯曲断裂的主要因素,力链的断裂进一步扩大道床的失稳破坏范围;扒齿下插阻力随扒齿底部力链的生成与断裂而出现波动且整体随下插深度的增加而变大。

关键词：扒齿道砟下插阻力离散元法力链滑移面

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多点接触对单颗粒破碎影响的离散元研究

中南大学学报(自然科学版) 2024年

作者：谭攀肖源杰王萌华文俊王小明彭友全中南大学土木工程学院重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学)

道砟颗粒破碎是铁路工程稳定性研究中的重要问题之一，现有关于颗粒破碎的研究大都基于2个接触点的单颗粒破碎实验，实际上颗粒同时受多个接触点作用，颗粒的破碎特性在很大程度上取决于其接触点（配位数）的数量，而目前对多接触条件... 详细信息

道砟颗粒破碎是铁路工程稳定性研究中的重要问题之一，现有关于颗粒破碎的研究大都基于2个接触点的单颗粒破碎实验，实际上颗粒同时受多个接触点作用，颗粒的破碎特性在很大程度上取决于其接触点（配位数）的数量，而目前对多接触条件下颗粒破碎的准则和模式尚不完全了解。为此，开展道砟单颗粒压缩试验获取单颗粒破碎强度和能量，采用离散元法建立黏结多面体单颗粒数值模型，通过单颗粒破碎试验结果对数值模型细观参数进行标定。在颗粒表面安装刚性屏蔽墙来研究相邻晶粒的力学约束效应，基于标定的数值模型研究不同粒径颗粒下配位数对破碎强度、接触力链、破碎模式和破碎准则的影响。研究结果表明：颗粒破碎强度随配位数增加而增加，粒径越小，增幅越大；当配位数较低时，颗粒倾向于破碎成几块，随着配位数增加，颗粒倾向于粉碎性破坏，子颗粒体积分布由正态分布向Gamma分布转变，接触力链向逐渐向屏蔽墙延伸；当配位数大于10时，基于应力张量的颗粒破碎准则（最大主应力准则σ1、八面体剪应力准则q、平均应力准则p）和局部接触力的颗粒破碎准则(最大接触力准则Fmax)不再适用。所得结论对工程实践和进一步采用离散元法研究可破碎颗粒材料具有一定的参考价值。

关键词：离散元法颗粒破碎配位数道砟破碎准则

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卵石破碎面数目影响集料直剪性能规律研究

西南交通大学学报 2024年

作者：井国庆程岩刘贵宪北京交通大学土木建筑工程学院中国铁道科学研究院基础设施检测研究所

道砟作为有砟道床的重要部分，道砟的单体物理性质对道床的整体强度和稳定性有着重要影响。为探究卵石道砟的破碎面数目对道砟集料直剪性能的影响，对卵石材料进行破碎并按破碎面数目分为四组，分别在不同垂压条件下进行直剪试验，分析... 详细信息

道砟作为有砟道床的重要部分，道砟的单体物理性质对道床的整体强度和稳定性有着重要影响。为探究卵石道砟的破碎面数目对道砟集料直剪性能的影响，对卵石材料进行破碎并按破碎面数目分为四组，分别在不同垂压条件下进行直剪试验，分析卵石试样的破碎面数目对集料的强度特性和变形特性等方面的直剪性能的影响。研究结果表明：在强度特性方面，道砟破碎面数量为0、1、2、3时，同一垂压下道砟集料的剪切强度和内摩擦角在一定范围内会随着道砟破碎面的数量的增加而增加，剪切强度依次提升了14.7%-25.6%、12.2%-27.4%、6.0%-10.1%；对于变形特性，道砟集料的剪缩特性会随着破碎面数目的增加而增加，而剪胀特性会随着破碎面数目的增加而减少。在实际应用中应使用足够数量破碎面的道砟，来维持道床的抗剪能力及稳定性并减少道床的整体变形。

关键词：道砟破碎面直剪试验剪切特性

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中欧高速铁路有砟轨道道床参数的比较与分析

铁道建筑 2011年第10期51卷 84-85,119页

作者：井国庆高亮曾树谷北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 铁道部科学研究院铁道建筑研究所北京100081

对中国和欧洲高速铁路道砟材质和道床断面尺寸,以及飞砟防治措施等方面进行分析对比,比较结果表明,部分标准内容略有差异,对于中欧不同的道砟试样采样和测试方法,需要进一步通过试验研究进行分析,对高速铁路有砟轨道设计提出建议。

关键词：高速铁路道砟标准设计规范