(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 202211013074.X (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 申请人 中国铁路上海局集团有限公司上海 铁路枢纽工程建 设指挥部 (72)发明人 徐永福　许帅　敖江忠　杨元治　 何晓　 (74)专利代理 机构 上海科盛知识产权代理有限 公司 312 25 专利代理师 陈天宝 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值 的分析方法 (57)摘要 本发明涉及一种通过建立耦合模型确定路 基沉降限值的分析方法， 包括以下步骤： S1： 基于 工程设计信息简化工程结构， 确定工程模型参 数； S2： 基于确定的工程模型参数， 借助计算机工 具建立高速铁路系统耦合有限元模型； S3： 基于 高速铁路系统耦合有限元模型， 计算不同行车速 度时的耦合系统的力学性能数据； S4： 基于计算 得到的耦合系统力学性能数据， 并根据对应规范 中的力学性能要求， 确定路基不均匀沉降限值。 与现有技术相比， 本发明提供了一种借助计算机 工具建立高速铁路系统耦合有 限元模型并结合 行车安全性、 舒适性等相关动力学指标从而确定 路基不均匀沉降限值的分析方法， 解决了高速铁 路试验的成本与难度较大的问题。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115495947 A 2022.12.20 CN 115495947 A 1.一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 基于工程设计信息简化工程结构， 确定 工程模型参数； S2： 基于确定的工程模型参数， 借助计算机 工具建立高速 铁路系统耦合有限元模型； S3： 基于高速铁路系统耦合有限元模型， 计算不同行车速度时的耦合系统的力学性能 数据； S4： 基于计算得到的耦合系统力学性能数据， 并根据对应规范中的力学性能要求， 确定 路基不均匀沉降限值。 2.根据权利要求1所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S1中， 根据 《高速铁路设计规范》 、 高速铁路工程设计方案以及地基勘察报告， 对高 速铁路系统耦合有限元模型中的各个系统进 行简化， 并提取各个系统组成部件的几何尺寸 和性能参数。 3.根据权利要求2所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 建立的高速 铁路系统耦合有限元模型包括以下相互耦合的3个系统： 高速列车系统， 其中每一节列 车均模拟为由一个车体、 两个转向架、 四个轮对构 成并以 预设速度运行的多刚体系统； 无砟轨道系统， 包括钢轨、 高弹性扣件、 轨枕、 混凝 土道床板以及水硬性混凝 土支承层； 沉降路基系统， 包括基床表层、 基床底层、 路基本体和土地基。 4.根据权利要求3所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 高速列车系统中的模 型建立过程中， 基于车辆动力学分析模型各个刚体的振 动特性， 在车辆动力学分析模型中设定车体的侧滚、 点头和摇头运动、 转向架的侧滚、 点头 和摇头运动运动、 四个 轮对的点头运动， 共13个自由度。 5.根据权利要求4所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 高速列车系统的模 型建立过程中， 首先建立车体、 转向架与轮对部件， 并赋予 其解析刚体属性， 然后设置各个部件的位移 参考点， 通过ABA QUS内置的MP C特征线条连接车 体内部参考点形成统一整体， 并借助CARTESIAN特征线条连接车体与转 向架以及转 向架与 轮对， 最后通过对MPC线条与CARTESIAN线条赋予刚度与阻尼特性， 进而模拟一系悬挂与二 系悬挂对车辆各个部件的连接 。 6.根据权利要求3所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 所述的高速列车系统与无砟轨道系统由Hertz非线性接触模型表征耦合关 系， 具体过程 为： 在ABAQUS的Interaction模块中以 “Tabular”的方式设定不同的加载压力所允许的 “过 盈量”表征法向接触， 切向接触借助蠕滑理论并设定罚函数摩擦系数进行模拟； 所述无砟轨道系统中用ABAQUS的CARTESIAN特征线条来模拟扣件， 用于连接钢轨与轨 枕， 通过定义弹性刚度和阻尼系数模拟扣件的减 振作用； 用来模拟扣件 的CARTESIAN线条的间距按实际间距等间距布置， 并对扣件连接线端部 的转动自由度进行了约束； 轨枕通过ABAQUS的Tie连接与下方的混凝土道床板连接， 在进行Tie连接 的设置时， 混 凝土道床板上表面为M aster surface， 轨枕下表面为Slave  surface； 选取ABAQUS中的 “硬 接触”设置， 使得只有在外部力的作用下使两者 发生紧密接触时才可以传递法向力， 并且限权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115495947 A 2制在ABAQUS中可能出现的穿透现象。 7.根据权利要求3所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 所述沉降路基系统的模型建立过程中， 首先在AutoCAD中建立未发生不均匀 沉降的路基模 型， 然后将含有不均匀沉降路径的坐标导入到AutoCAD中， 将不均匀沉降路径 形成相关面域， 并以此对原有路基进行切割， 进而得到含有不均匀沉降的路基模型， 利用 AutoCAD软件将路基模型导出为.sat文件， 最后利用ABAQUS导入.sat文件， 与AB AQUS中的高 速列车系统、 无砟轨道系统耦合， 得到从而建立高速铁路列车 ‑无砟轨道 ‑沉降路基耦合模 型。 8.根据权利要求3所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S2中， 基于相互耦合的3个系统构建的高速铁路系统耦合有限元模型， 还包括以下 设置过程： 在模型底部采用固定约束， 且根据实际情况以修改inp文件的方法将整个模型的边界 设定为无限元阻尼边界防止动力波的反射； 对模型中的实体单元结构进行网格划分， 其中， 整体实体模型均采用3维8节点缩减积 分实体单元(C3D8R)进行网格划分， 且模型网格采用均匀网格划分， 均采用六面体网格单 元； 定义模型的历史输出变量， 其中包括定义车体的振动加速度、 轮轨作用力、 无砟 轨道结 构的振动加速度以及垂向位移。 9.根据权利要求8所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， S3中， 计算 不同行车速度时的耦合系统的力学性能包括以下 过程： 在inp文件中找到控制高速列车系统速度的参数， 将其 修改为所要计算的数值； 利用ABAQUS  Command以命令流的形式直接计算处理修改行车速度参数后的多个inp文 件， 得到不同行 车速度时的耦合系统的力学性能数据。 10.根据权利要求1所述的一种通过建立耦合模型确定路基沉降限值的分析方法， 其特 征在于， 确定路基不均匀沉降限值的过程 为： 将不同行 车速度时的耦合系统的力学性能数据导入至图表软件中； 确定相关规范中的关于行 车安全性、 舒 适度、 车辆与轨道动态作用等评价指标； 通过图表软件比较计算得到的力学性能数据与相关规范中的评价指标确定路基不均 匀沉降限值。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115495947 A 3