高速铁路道岔区钢轨多尺度建模及长期动力学行为研究

Track irregularity and rail surface wear are two common types of track defects. However, there are significant differences between them in many aspects like performance characteristics, influence rules and analysis methods. Track irregularity reflects geometric deviations along the rail with the wavelength ranging from several meters to hundreds of meters. The global method of vehicle-track coupling is usually used to analyze its influence rules. Rail surface wear reflects the profile damage in the vertical plane perpendicular to the rail extension direction, and the length and depth of rail wear are generally counted in millimeters. Generally the wheel/rail local contact analysis is applied to study rail wear evolution..These two rail defects of different scales usually occur together and influence each other. Under the repeated train load, they deteriorate continuously along with the rail service time. It would affect the running safety of train and reduce service life of rail. This is especially serious in the turnout zone of high-speed railway. The project aims to establish a dynamic analysis model which can reflect the multi-scale characteristics of rail. The long-term dynamics behaviour along with rail service condition is researched based on the analysis model. The project can be featured as follows: multi-scale modelling in space domain and long-term dynamics analysis in time domain.

轨道不平顺、轨面磨耗是钢轨较为常见的两类病害，但在表现特征、影响规律、分析方法等多个方面都存在着显著差异。轨道不平顺体现了钢轨沿着线路延伸方向的几何偏差，不平顺波长一般从几米到上百米，常采用车轨耦合的宏观方法分析其影响规律；而轨面磨耗体现了钢轨垂直于线路延伸方向的廓面磨损情况，磨耗范围和磨耗深度按毫米计，一般基于轮轨局部接触分析其磨耗演变规律。.这两类不同尺度病害往往同时出现、相互影响，而且在列车荷载的反复作用下，随着钢轨服役时间的延长而不断恶化，进而影响列车运行安全和降低钢轨使用寿命，这种情况在高速铁路的道岔区尤为突出。本项目旨在建立可以反映钢轨不同尺度特征的动力分析模型，并基于该模型研究钢轨服役状态不断演化的长期动力学行为。本项目的研究特色是：在空间上实现多尺度建模，在时间上分析长期动力学行为。

高速铁路运营的安全性、舒适性与钢轨服役状态密切相关。钢轨在列车荷载长期作用下会逐渐发生几何偏差及磨耗累积，服役状态不断恶化。轨道不平顺、轨面磨耗是钢轨两类不同尺度的典型病害，往往同时出现、相互影响。它们在表现特征、分析方法、影响规律等方面存在显著差异，尤其在道岔区最为复杂。项目针对道岔区钢轨多尺度病害问题，建立了高速铁路道岔区钢轨多尺度动力分析模型，实现了钢轨不同尺度模型的一体化连接与协同计算。通过对钢轨宏细观病害共存条件下系统动力特性的研究，掌握了钢轨的状态演变规律和长期动力学行为。具体如下：.1.基于多体动力学理论和有限元分析方法，利用自编程序及商业软件，建立了车辆-道岔耦合系统宏观分析模型和道岔区钢轨结构细观分析模型。以轮轨接触为纽带，利用自编程序驱动文件交互的方式，实现了宏细观模型的多尺度连接。.2.对我国高速铁路轨道不平顺进行了长期跟踪测试，分析了道岔区不同等级轨道不平顺与不同程度钢轨磨耗对车辆行车安全性、舒适性及轨道振动特性的影响规律。.3.利用自编程序对实测轨道不平顺数据进行预处理，使用神经网络对轨道不平顺发展趋势进行了预测，获得了道岔区轨道不平顺恶化规律。基于车辆-道岔耦合动力学、轮轨滚动接触、磨耗理论，对道岔区钢轨磨耗分布进行了分析，掌握了钢轨型面演变规律。.4.将轨道不平顺及钢轨磨耗的时变性引入到道岔区钢轨多尺度动力分析模型中，研究了两类病害共存条件下车辆及轨道动力响应、轮轨接触特性的演变规律，提出了道岔区轨道不平顺及钢轨磨耗的管控建议。.项目执行期间，发表论文11篇，其中SCI检索论文5篇、EI检索论文4篇，授权发明专利2项。依托科研团队，培养博士研究生5人、硕士研究生10人。举办、参加国内外学术会议8次，获得科研奖励6项。