(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211226461.1 (22)申请日 2022.10.09 (71)申请人 太原理工大 学 地址 030024 山西省太原市万柏林区迎泽 西大街79号 (72)发明人 张建林　王旭东　庞维　韩俊萍　 任向飞　姚鑫琨　 (74)专利代理 机构 太原市科瑞达专利代理有限 公司 14101 专利代理师 赵禛 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道耦合系统垂向动 力学建模 (57)摘要 基于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道耦合系统垂向动 力学建模， 属于铁路工程及计算机辅助设计技术 领域， 运用ABAQUS有限元软件建立CRTS Ⅰ型板式 无砟轨道 ‑路基‑地基有限元模型， 并将之导入UM 软件中， 联立UM软件建立的列车子系统， 对整个 系统进行仿真。 本发明是更加接近真实情况的三 维建模， 是一种直观的列车运行于轨道线路的建 模方法， 适用于高速铁路无砟轨道的设计和计 算。 权利要求书2页 说明书6页 附图7页 CN 115293008 A 2022.11.04 CN 115293008 A 1.基于CRTSⅠ型板式无砟轨道耦合系统垂向动力学建模， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1.提取列车子系统的几何参数， 利用Universal  Mechanical多体动力学软件中的UM   Loco模块建立列车子系统模型； 所述步骤S1建立列车子系统模型包括以下步骤： S1‑1.将列车子系统分为一个车体、 两个转向架和四个轮对构成， 构架与轮对之间通过 一系悬挂连接， 车体与构架之间通过二系悬挂连接； S1‑2.打开Univer sal Mechanical多体动力学软件的前处理软件input， 在 “设计树”中 选择[Subsystem s]， 创建轮对 模型， 设置轮对的质量、 转动惯量、 名义半径、 轴长； S1‑3.依次添加 “车体”、“二系减振器 ”、“构架”、“一系减振器 ”、“空气弹簧 ”、“轴箱”的 图像， 并由建立的 “轴箱”图像复制生成其 余三个“轴箱”图像； S1‑4.创建“构架”模型， 设置构架的质量、 转动惯量以及质心坐标； S1‑5.创建一系弹簧力元， 设置一系弹簧力元为线性力元， 并设置一系弹簧的垂向刚 度、 横向刚度以及纵向刚度， 复制生成其 余三个一系弹簧力元； S1‑6.创建一系垂向减振器， 设置一系垂向减振器的阻尼参数， 并复制生成其余三个一 系垂向减 振器； S1‑7.创建轴箱转臂节点， 设置轴箱转臂节点的垂向刚度、 横向刚度以及纵向刚度， 复 制生成其 余三个转臂 节点； S1‑8.创建二系 空气弹簧、 二系垂向减振器、 二系横向减振器以及抗蛇行减振器， 并分 别设置二系空气弹簧、 二系垂向减振器、 二系横向减振器以及抗蛇行减振器的刚度、 阻尼参 数； S1‑9.创建车体模型， 设置车体的质量、 转动惯量以及质心坐标， 完成列车子系 统模型 建立； S2.提取CRTS Ⅰ型板式无砟轨道、 路基、 地基各子系统的几何参数， 利用ABAQUS有限元 软件建立各子系统的有限元模型； 所述步骤S2建立各子系统的有限元模型包括以下步骤： S2‑1.将轨道子系统分为钢轨、 扣件、 轨道板、 CA砂浆层、 混凝土底座以及沥青混凝土 层； 将路基子系统分为基床表层、 基床底层以及路基本体； 地基子系统为桩网复合地基， 桩 网复合地基包括加筋褥 垫层、 水泥粉煤灰碎石桩、 桩间土以及岩石层； S2‑2.依据CRTS Ⅰ型板式无砟轨道高速铁路典型断面提取轨道板、 CA砂浆层、 混凝土底 座、 沥青混凝土层、 基床表层、 基床底层、 路基本体、 加筋垫层、 桩和地基土的几何参数， 利用 ABAQUS有限元 软件建立各子系统的有限元模型； S3.在ABAQUS有限元软件中给CRTS Ⅰ型板式无砟轨道、 路基、 地基各结构层赋予材料属 性和单元属性， 并且 对结构层划分网格； 所述步骤S3给 各结构层赋予材 料属性和单 元属性并划分网格包括以下步骤： 1).钢轨、 轨道板、 混凝 土底座采用3维8节点缩 减积分实体单 元建模； 2).扣件采用弹簧 ‑阻尼单元建模； 3).CA砂浆层、 沥青混凝土层、 基床表层、 基床底层、 路基本体、 加筋垫层根据摩尔 ‑库伦 屈服准则和3维8节 点缩减积分实体单元建模， 其中基床表层、 基床底层、 路堤本体采用增强 沙漏控制； 4).地基土根据修 正剑桥模型和3维8节点缩 减积分实体单 元建模；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115293008 A 2上述1)~ 4)中模型的网格采用非均匀网格划分方法， 荷载作用区域采用细化网格， 然 后沿横断面向左右两侧采用均匀网格尺寸； S4.设置模型的接触和边界条件； 所述步骤S4设置模型的接触和边界条件 包括以下步骤： 设置模型的接触为： 依据板式无砟轨道高速铁路典型断面的实际情况， 在interaction 模块设置桩和地基土的面面接触， 轨道板、 CA砂浆层、 混凝土底座、 沥青混凝土层、 基床表 层、 基床底层、 路基本体、 加筋垫层各 结构层之间设置面 面接触； 设置模型的边界条件为： 模型四周采用无限元模拟吸收边界， 模型底面采用固定边界 约束x、 y、 z三个方向的自由度； 约束设置完毕后在Universal  Mechanical多体动力学软件 中创建铰或力元； S5.将有限元软件ABAQUS中建立好的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道、 路基和地基的有限元模型 通过ABAQUS_UM_XE8.exe接口导入步骤S1建立的列车子系统模型中； S6.利用Univer sal Mechanical多体动力学软件的后处理程序Simulation进行仿真分 析。 2.根据权利要求1所述的基于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道耦合系统垂向动力学建模， 其特征 在于： 所述 步骤S5中将有限元模型导入S1建立的列车系统模型包括以下步骤： S5‑1.将有限元软件ABAQUS中建立好的CRTS Ⅰ型板式无砟轨道、 路基和地基的有限元模 型存入ABAQUS结果文件ABAQUS.fil中， 通过ABAQUS_UM_XE8.exe接口读取结果文件 ABAQUS.fi l， 完成转换并生成i nput.fum文件； S5‑2.运行UM  Input程序， 选择菜单Tools ‑Wizard of flexible  subsystems， 并读入 步骤S5‑1生成的i nput.fum文件， 进一 步点击Transform， 转换为 input.fss文件： S5‑3. 结合S1建立的列车子系统模型， 选择Linear  FEM subsystem， 读入转换后的 input.fss文件， 添加柔 性轨下子系统模型。 3.根据权利要求1所述的基于CRTS Ⅰ型板式无砟轨道耦合系统垂向动力学建模， 其特征 在于： 所述 步骤S6中Simulati on进行仿真 分析包括以下步骤： S6‑1.加载模型， 自由调整动画窗口大小、 位置和方向视图； S6‑2.设置轨底坡， 定义轨道整体刚度和阻尼； S6‑3.车轮型面采用C hinese LM型磨耗型 踏面， 钢轨采用6 0型钢轨； S6‑4.轨道不平顺谱 采用美国六级轨道不平顺谱； S6‑5.创建动力学评价指标的变量并拖入绘图窗口； S6‑6.进行仿真计算。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115293008 A 3