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铁路道砟力学性能的离散元分析及试验验证

冯君夫  
【摘要】:传统有碴铁路轨道应用广泛,为降低有碴铁路轨道维护成本并提高乘客舒适性,对铁路道砟材料破碎机理深入研究具有重要意义。本文基于断裂力学基本理论和离散单元法系统阐述了铁路道砟力学特性的离散元分析及试验验证工作,主要研究工作包括以下几个方面:1. 本文设计并开展了测量铁路道砟材料特征强度的试验,选取的试样为花岗岩碎石。采用试验机对有效粒径在[20,75]mm之间的道砟竖向加载至道砟裂纹扩展并贯穿整体。在试验过程中,使用数据采集系统记录压头加载力和位移的数据并加以分析。发现有效粒径相同形状各异的道砟断裂强度具有一定的离散性,且具有随道砟有效粒径的增大而降低的趋势。采用威布尔断裂统计理论,分析及计算得到道砟破碎特征强度和威布尔模量。2. 为精确地数值模拟铁路道砟破碎行为并分析其力学特性,对实际道砟进行了数值构造。通过三维激光扫描系统获取了实际铁路道砟的不规则外形点云信息,并通过三维曲面网格处理软件将其转变为由三角面组成的网格曲面。在相应的三角网格曲面内按照几何填充法随机填充球形颗粒,采用颗粒间平行粘结方式构造具有不规则真实外观的高精度铁路道砟模型。3. 本文基于测定铁路道砟力学宏观材料特性的试验,根据试验获取的材料宏观杨氏模量、泊松比等结果,通过分析计算获得了离散元模拟铁路道砟破碎的细观力学参数:颗粒间弹性模量、刚度、粘结强度等。并具体探讨了离散元模拟中颗粒间刚度和粘结强度等参数对材料宏观参数的影响。4. 本文采用离散单元方法数值模拟道砟受压破碎过程,分析应力应变曲线、粘结断裂数等数据以分析颗粒破碎机制。通过对大量道砟颗粒加载试验及数值模拟计算发现,随着道砟尺寸的增加,其抗压强度逐渐减小;并基于威布尔断裂统计理论计算了道砟残存概率为37%时的特征强度和威布尔模量,试验和数值模拟结果相吻合。同时数值模拟了多道砟颗粒于道砟箱中受压破碎,分析道砟破碎率、整体位移和失效形式等表明:道砟颗粒系统受压稳定后破碎率和位移会随道砟单元平均粒径在模拟样本范围内的增大递增,多道砟系统抗压强度递减。


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